當代物理學困惑之一:暗能量與暗物質

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(轉載)

原文標題: 物理學的困頓：宇宙學心臟上的黑暗虛空（圖）

編者:新鮮人

 

現在的主流宇宙學模型與觀測事實符合得極好，只是必須用到太多不明“真相”的黑暗成分。圖片來源：deviantart.net

（文/ Stephen Battersby）對於我們的眼睛來說，星星即是宇宙。然而對於宇宙學家而言，它們不過是閃爍的塵埃，是宇宙真相中不起眼的點綴而已。有兩樣難以捉摸的東西，數量遠遠超過普通的星星和氣體，分別被稱為暗物質和暗能量。我們對它們一無所知，只知道它們似乎構成了宇宙中的幾乎所有一切。

這對孿生的幽靈足以讓我們暫時停下腳步，思量在過去的一個世紀裡，我們仔細建立的宇宙學模型是否正確。還不僅於此。我們的標準宇宙學模型還指出，在大爆炸之後的瞬間，空間就被一種未知的東西拉伸成形，這第三種“暗”成分被稱為暴脹場。這可能意味着，在我們視線之外還隱藏着無數其他宇宙，其中的大多數另類得不可思議——而它們的存在，只是為了讓我們的宇宙模型能夠發揮作用。

讓我們的觀測承載起這些幻影，負擔是否太過於沉重？難道真如馬克·吐溫（Mark Twain）所言，投入一些微不足道的事實，就能收穫一大堆猜測不成？

標準宇宙學的物理基礎是愛因斯坦的廣義相對論。愛因斯坦出發點是一個簡單的觀測事實：任意物體的引力質量完全等同於它的慣性質量，也就是它抵禦加速度的能力（參見《犧牲愛因斯坦 顛覆相對論基石》一文）。由此，他推導出了一組方程，描述質量和運動如何彎曲空間，以及這種彎曲如何被我們視為引力。蘋果落地正是因為地球的質量彎曲時空所致。

在地球這種引力相對較弱的環境中，廣義相對論的效果看起來跟原先牛頓引力理論的預言非常相似。牛頓理論把引力當成一個作用力，在物體之間瞬間傳遞。然而，在引力場較強的地方，兩者的預言就會大相徑庭。廣義相對論多出了一個預言：加速運動的物體會在時空結構中產生微小漣漪，被稱為引力波。雖然引力波尚未被直接觀測，但1974年發現的一對緻密脈衝星在相互旋轉的過程中正在彼此靠近，就好像它們正在發射引力波，從而損失軌道能量一樣。

引力在宇宙尺度上是自然界的主導力量，因此廣義相對論就成了我們把宇宙當成一個整體，描述其運動及演化的最佳工具。但是它的方程極其複雜，可調節的參數多到讓人發悚。如果把一套複雜的參數代入方程，比如真實宇宙中質量和能量紛繁複雜的分布細節，整套方程就會變得無法求解。為了建立一個有效的宇宙學模型，我們做了一些簡化假設。

最主要的假設被稱為哥白尼原理，即我們所處的位置並無任何特殊之處。宇宙在任何地方看起來都應該差不多是一樣的——事實上，當我們在足夠大的尺度上放眼望去，物質分布確實是相當均勻的。這意味着，愛因斯坦方程只需要代入一個參數就夠了，那就是宇宙的物質密度。



對於我們的眼睛來說，星星即是宇宙。然而對於宇宙學家而言，它們不過是閃爍的塵埃，是宇宙真相中不起眼的點綴而已。圖片來源：NASA最大的錯誤

愛因斯坦在他自己建立的第一個簡化宇宙模型里填滿了均勻分布的無碰撞塵埃，結果這個宇宙會在自身引力作用下收縮。他把這種收縮視為一個問題，因此為了避開收縮，他在方程中添加了新的一項，使得真空本身獲得了一個恆定的能量密度。它的作用是排斥，因此加入適量的這種“宇宙學常數”，就可以確保宇宙既不膨脹，也不收縮。到了20世紀20年代，當觀測表明宇宙確實正在膨脹時，愛因斯坦將他的這個舉動稱為是他最大的錯誤。

把相對論方程應用於膨脹宇宙的是其他人。他們得到了一個模型：宇宙始於一個密度高到難以想象的小點，膨脹速度則在物質引力的作用下逐漸放緩。

這就是大爆炸宇宙學的由來。當時的主要問題在於，宇宙膨脹最終會不會停下來。答案似乎是否定的：宇宙中的物質太少，引力不足以束縛住四散逃逸的星系。宇宙應該會永遠向外擴散下去。

接下來，宇宙幽靈便開始浮現。第一位黑暗使者早在20世紀30年代就已登門，但直到20世紀70年代末，當天文學家發現星系自轉速度太快時，它才被人完全認清。可見物質的引力太弱，根據廣義相對論，甚至直接依據古老的牛頓物理學，它們都應該無法維繫住這些星系才對。天文學家得出結論，必定存在大量看不見的物質，提供了更多引力來維繫星系。

暗物質的存在也得到了其他證據的支持，比如星系群的運動以及它們彎曲光線的方式。第一代星系在形成之初，也需要它們幫忙先把物質拉攏在一起。總而言之，暗物質的總質量似乎是可見氣體和恆星的5倍左右。

但暗物質的成分仍然未知。它們似乎是粒子物理學標準模型之外的東西。儘管我們盡了最大的努力，還是沒有在地球上觀測到或者是創造出一個暗物質粒子。不過，它對宇宙學標準模型的改變並不大：在廣義相對論中，暗物質的引力作用和普通物質完全相同，然而即便有這麼多能夠產生引力的物質，也不足以讓宇宙膨脹停下腳步。

第二位黑暗使者引發了一場更深刻的變化。20世紀90年代，天文學家對Ia型超新星的爆發進行了觀測，這種方法能夠追蹤宇宙膨脹的速度，精度遠遠超過以往。他們發現宇宙膨脹正在加速，似乎有某種斥力作用於整個宇宙，正在全面壓制物質間的萬有引力。精確的配方

這有可能是愛因斯坦宇宙學常數的再生，即真空中一種能夠產生排斥的能量。然而，粒子物理學家仍在糾結，為什麼空間本身隱含着這麼小的能量密度。於是，富有想象力的理論學家提出了其他想法，比如由尚未發現的粒子產生的能量場，再比如源自可觀測宇宙之外或者從其他維度“滲透”過來的作用力。

不管這種暗能量是什麼，它看起來足夠真實。大爆炸後僅37萬年，第一代原子形成時釋放的輻射，如今已成為宇宙微波背景輻射。微波背景中包含着某種圖案，由溫度稍高和稍低的斑點構成，分別代表着年輕宇宙中密度稍高和稍低的地方。這些斑點的典型尺度可以用來衡量，空間作為一個整體，被其中的物質及其運動彎曲到了何種程度。結果表明，空間看上去幾乎是完全平直的，這意味着所有能夠彎曲空間的效應必定都相互抵消掉了。這也意味着，必需要有某種額外的斥力，來平衡由於膨脹和物質引力產生的彎曲。星系在空間中的分布模式也給出了類似的結論。



WMPA探測器發現，宇宙微波背景輻射中溫度稍高和稍低的點構成了某種圖案，這種圖案告訴我們宇宙在整體上幾乎是平直的。圖片來源：mit.edu

所有這些觀測證據，讓我們得到了宇宙的一份精確配方。空間中普通物質的平均密度為每立方米0.426幺克（1幺克等於10-24克，0.426幺克大約相當於0.25個質子），占宇宙總能量密度的4.5%。暗物質占了22.5%，暗能量則占到了73%。基於廣義相對論的大爆炸宇宙模型與我們的觀測符合得極好——只要我們能夠坦然接受“虛構”出來的那95.5%的宇宙。

不過，我們還必須“發明”更多東西才行。為了解釋宇宙為什麼在所有方向上看起來都均勻到如此極致，今天的主流宇宙學理論還包含第三種詭異的成分。在宇宙年齡只有10-36秒時，一種壓倒性的力量接管了整個宇宙。這種被稱為暴脹場的東西，像暗能量一樣表現為斥力，但要強大許多，導致宇宙爆發式膨脹了至少1025倍，拉平了空間，還抹去了所有的整體不規則性。

這段被稱為暴脹的時期結束時，暴脹場轉變成了物質和輻射。暴脹場中的量子漲落，變成了密度上的細微起伏，最終演變成宇宙微波背景中的斑點，以及今天的星系。這個夢幻一般的故事，看起來與觀測事實也是相符的，但它也再次引入了許多“空想”出來的概念。對於廣義相對論而言，暴脹並不麻煩——在數學上，它只需要再加上一個跟宇宙學常數完全相同的項即可。但是，這個暴脹場在某一時刻必須百分之百構成宇宙中的全部成分，而它的起源則與暗物質或暗能量一樣，提出了一個大難題。更重要的是，暴脹一旦開始就很難停止：它會創造出眾多與我們的宇宙風格迥異的宇宙。在一些宇宙學家看來，預言存在多重宇宙成了一個迫切的理由，逼着他們去重新審視標準宇宙學的基本假設。

標準宇宙學模型在觀測上也遇到了一些小麻煩。大爆炸在理論上能夠產生的鋰7，要比宇宙中的實際含量高出許多。微波背景輻射中某些特徵似乎能夠排列成行，特定視線方向上的星系看起來似乎更傾向於左旋自轉，這些都無法用標準模型來解釋。新發現的一個長達40億光年的超星繫結構，也對宇宙在大尺度上平滑均勻的假設提出了質疑。黑暗三重奏

隨着更多觀測數據的出爐，或者計算方法的改進，這些小麻煩很可能會自行消失。但更大的問題仍然存在。美國哈佛大學的宇宙學家、率先發現暗能量的超新星觀測組成員羅伯特·克什納爾（Robert Kirshner）說：“這我們不知道暗能量是什麼，也不知道暗物質是什麼，這或多或少會讓人有一點尷尬。”

自愛因斯坦那個滿是塵埃的宇宙模型開始，宇宙學的數學基礎就再也沒有發生過變化，但不斷添加的成分使得今天的宇宙模型更具活力，也體現了更多的細節。宇宙的年齡和構成已經被了解得相當精確。暗物質似乎已經創造出了星系和其他結構；暗能量暗示宇宙將加速膨脹，步入一個寒冷而孤寂的未來；暴脹則指出宇宙誕生於劇烈動盪之中。這三駕黑暗馬車，每一駕都指向了全新的物理學。



宇宙中的可見物質，只占宇宙總能量密度的4.5%，其餘95.5%的成分仍然未知。圖片來源：《新科學家》

克什納爾將其視為一個挑戰，“這並不意味着我們的觀點有任何缺陷。它帶來的不是絕望，而是靈感。”但是，只要我們還沒有在實驗室里找到暗物質的證據，或者證明暗能量的物理基礎，我們就有可能仍然深陷於某種根本性的誤解之中——或許，我們關於宇宙的數學模型出了某個非常基礎的岔子，基礎到了迄今為止還沒有人想象得出這個錯誤會是哪一種形式，只是一個未知的未知。量子引力論能告訴我們前進的方向嗎？抑或，一些新的觀測能指引我們再次改寫建立在廣義相對論基礎之上的宇宙學嗎？

我們只有一些最含糊的線索，指引我們去尋找替代的宇宙學模型。但或許，我們只需要擯棄一個沒有人注意到的關於現實的假設，帷幕就會升起，所有的黑暗隨即煙消雲散，繁星之夜將再現光芒。


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