当代物理学困惑之一:暗能量与暗物质

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(转载)

原文标题: 物理学的困顿：宇宙学心脏上的黑暗虚空（图）

编者:新鲜人

 

现在的主流宇宙学模型与观测事实符合得极好，只是必须用到太多不明“真相”的黑暗成分。图片来源：deviantart.net

（文/ Stephen Battersby）对于我们的眼睛来说，星星即是宇宙。然而对于宇宙学家而言，它们不过是闪烁的尘埃，是宇宙真相中不起眼的点缀而已。有两样难以捉摸的东西，数量远远超过普通的星星和气体，分别被称为暗物质和暗能量。我们对它们一无所知，只知道它们似乎构成了宇宙中的几乎所有一切。

这对孪生的幽灵足以让我们暂时停下脚步，思量在过去的一个世纪里，我们仔细建立的宇宙学模型是否正确。还不仅于此。我们的标准宇宙学模型还指出，在大爆炸之后的瞬间，空间就被一种未知的东西拉伸成形，这第三种“暗”成分被称为暴胀场。这可能意味着，在我们视线之外还隐藏着无数其他宇宙，其中的大多数另类得不可思议——而它们的存在，只是为了让我们的宇宙模型能够发挥作用。

让我们的观测承载起这些幻影，负担是否太过于沉重？难道真如马克·吐温（Mark Twain）所言，投入一些微不足道的事实，就能收获一大堆猜测不成？

标准宇宙学的物理基础是爱因斯坦的广义相对论。爱因斯坦出发点是一个简单的观测事实：任意物体的引力质量完全等同于它的惯性质量，也就是它抵御加速度的能力（参见《牺牲爱因斯坦 颠覆相对论基石》一文）。由此，他推导出了一组方程，描述质量和运动如何弯曲空间，以及这种弯曲如何被我们视为引力。苹果落地正是因为地球的质量弯曲时空所致。

在地球这种引力相对较弱的环境中，广义相对论的效果看起来跟原先牛顿引力理论的预言非常相似。牛顿理论把引力当成一个作用力，在物体之间瞬间传递。然而，在引力场较强的地方，两者的预言就会大相径庭。广义相对论多出了一个预言：加速运动的物体会在时空结构中产生微小涟漪，被称为引力波。虽然引力波尚未被直接观测，但1974年发现的一对致密脉冲星在相互旋转的过程中正在彼此靠近，就好像它们正在发射引力波，从而损失轨道能量一样。

引力在宇宙尺度上是自然界的主导力量，因此广义相对论就成了我们把宇宙当成一个整体，描述其运动及演化的最佳工具。但是它的方程极其复杂，可调节的参数多到让人发悚。如果把一套复杂的参数代入方程，比如真实宇宙中质量和能量纷繁复杂的分布细节，整套方程就会变得无法求解。为了建立一个有效的宇宙学模型，我们做了一些简化假设。

最主要的假设被称为哥白尼原理，即我们所处的位置并无任何特殊之处。宇宙在任何地方看起来都应该差不多是一样的——事实上，当我们在足够大的尺度上放眼望去，物质分布确实是相当均匀的。这意味着，爱因斯坦方程只需要代入一个参数就够了，那就是宇宙的物质密度。



对于我们的眼睛来说，星星即是宇宙。然而对于宇宙学家而言，它们不过是闪烁的尘埃，是宇宙真相中不起眼的点缀而已。图片来源：NASA最大的错误

爱因斯坦在他自己建立的第一个简化宇宙模型里填满了均匀分布的无碰撞尘埃，结果这个宇宙会在自身引力作用下收缩。他把这种收缩视为一个问题，因此为了避开收缩，他在方程中添加了新的一项，使得真空本身获得了一个恒定的能量密度。它的作用是排斥，因此加入适量的这种“宇宙学常数”，就可以确保宇宙既不膨胀，也不收缩。到了20世纪20年代，当观测表明宇宙确实正在膨胀时，爱因斯坦将他的这个举动称为是他最大的错误。

把相对论方程应用于膨胀宇宙的是其他人。他们得到了一个模型：宇宙始于一个密度高到难以想象的小点，膨胀速度则在物质引力的作用下逐渐放缓。

这就是大爆炸宇宙学的由来。当时的主要问题在于，宇宙膨胀最终会不会停下来。答案似乎是否定的：宇宙中的物质太少，引力不足以束缚住四散逃逸的星系。宇宙应该会永远向外扩散下去。

接下来，宇宙幽灵便开始浮现。第一位黑暗使者早在20世纪30年代就已登门，但直到20世纪70年代末，当天文学家发现星系自转速度太快时，它才被人完全认清。可见物质的引力太弱，根据广义相对论，甚至直接依据古老的牛顿物理学，它们都应该无法维系住这些星系才对。天文学家得出结论，必定存在大量看不见的物质，提供了更多引力来维系星系。

暗物质的存在也得到了其他证据的支持，比如星系群的运动以及它们弯曲光线的方式。第一代星系在形成之初，也需要它们帮忙先把物质拉拢在一起。总而言之，暗物质的总质量似乎是可见气体和恒星的5倍左右。

但暗物质的成分仍然未知。它们似乎是粒子物理学标准模型之外的东西。尽管我们尽了最大的努力，还是没有在地球上观测到或者是创造出一个暗物质粒子。不过，它对宇宙学标准模型的改变并不大：在广义相对论中，暗物质的引力作用和普通物质完全相同，然而即便有这么多能够产生引力的物质，也不足以让宇宙膨胀停下脚步。

第二位黑暗使者引发了一场更深刻的变化。20世纪90年代，天文学家对Ia型超新星的爆发进行了观测，这种方法能够追踪宇宙膨胀的速度，精度远远超过以往。他们发现宇宙膨胀正在加速，似乎有某种斥力作用于整个宇宙，正在全面压制物质间的万有引力。精确的配方

这有可能是爱因斯坦宇宙学常数的再生，即真空中一种能够产生排斥的能量。然而，粒子物理学家仍在纠结，为什么空间本身隐含着这么小的能量密度。于是，富有想象力的理论学家提出了其他想法，比如由尚未发现的粒子产生的能量场，再比如源自可观测宇宙之外或者从其他维度“渗透”过来的作用力。

不管这种暗能量是什么，它看起来足够真实。大爆炸后仅37万年，第一代原子形成时释放的辐射，如今已成为宇宙微波背景辐射。微波背景中包含着某种图案，由温度稍高和稍低的斑点构成，分别代表着年轻宇宙中密度稍高和稍低的地方。这些斑点的典型尺度可以用来衡量，空间作为一个整体，被其中的物质及其运动弯曲到了何种程度。结果表明，空间看上去几乎是完全平直的，这意味着所有能够弯曲空间的效应必定都相互抵消掉了。这也意味着，必需要有某种额外的斥力，来平衡由于膨胀和物质引力产生的弯曲。星系在空间中的分布模式也给出了类似的结论。



WMPA探测器发现，宇宙微波背景辐射中温度稍高和稍低的点构成了某种图案，这种图案告诉我们宇宙在整体上几乎是平直的。图片来源：mit.edu

所有这些观测证据，让我们得到了宇宙的一份精确配方。空间中普通物质的平均密度为每立方米0.426幺克（1幺克等于10-24克，0.426幺克大约相当于0.25个质子），占宇宙总能量密度的4.5%。暗物质占了22.5%，暗能量则占到了73%。基于广义相对论的大爆炸宇宙模型与我们的观测符合得极好——只要我们能够坦然接受“虚构”出来的那95.5%的宇宙。

不过，我们还必须“发明”更多东西才行。为了解释宇宙为什么在所有方向上看起来都均匀到如此极致，今天的主流宇宙学理论还包含第三种诡异的成分。在宇宙年龄只有10-36秒时，一种压倒性的力量接管了整个宇宙。这种被称为暴胀场的东西，像暗能量一样表现为斥力，但要强大许多，导致宇宙爆发式膨胀了至少1025倍，拉平了空间，还抹去了所有的整体不规则性。

这段被称为暴胀的时期结束时，暴胀场转变成了物质和辐射。暴胀场中的量子涨落，变成了密度上的细微起伏，最终演变成宇宙微波背景中的斑点，以及今天的星系。这个梦幻一般的故事，看起来与观测事实也是相符的，但它也再次引入了许多“空想”出来的概念。对于广义相对论而言，暴胀并不麻烦——在数学上，它只需要再加上一个跟宇宙学常数完全相同的项即可。但是，这个暴胀场在某一时刻必须百分之百构成宇宙中的全部成分，而它的起源则与暗物质或暗能量一样，提出了一个大难题。更重要的是，暴胀一旦开始就很难停止：它会创造出众多与我们的宇宙风格迥异的宇宙。在一些宇宙学家看来，预言存在多重宇宙成了一个迫切的理由，逼着他们去重新审视标准宇宙学的基本假设。

标准宇宙学模型在观测上也遇到了一些小麻烦。大爆炸在理论上能够产生的锂7，要比宇宙中的实际含量高出许多。微波背景辐射中某些特征似乎能够排列成行，特定视线方向上的星系看起来似乎更倾向于左旋自转，这些都无法用标准模型来解释。新发现的一个长达40亿光年的超星系结构，也对宇宙在大尺度上平滑均匀的假设提出了质疑。黑暗三重奏

随着更多观测数据的出炉，或者计算方法的改进，这些小麻烦很可能会自行消失。但更大的问题仍然存在。美国哈佛大学的宇宙学家、率先发现暗能量的超新星观测组成员罗伯特·克什纳尔（Robert Kirshner）说：“这我们不知道暗能量是什么，也不知道暗物质是什么，这或多或少会让人有一点尴尬。”

自爱因斯坦那个满是尘埃的宇宙模型开始，宇宙学的数学基础就再也没有发生过变化，但不断添加的成分使得今天的宇宙模型更具活力，也体现了更多的细节。宇宙的年龄和构成已经被了解得相当精确。暗物质似乎已经创造出了星系和其他结构；暗能量暗示宇宙将加速膨胀，步入一个寒冷而孤寂的未来；暴胀则指出宇宙诞生于剧烈动荡之中。这三驾黑暗马车，每一驾都指向了全新的物理学。



宇宙中的可见物质，只占宇宙总能量密度的4.5%，其余95.5%的成分仍然未知。图片来源：《新科学家》

克什纳尔将其视为一个挑战，“这并不意味着我们的观点有任何缺陷。它带来的不是绝望，而是灵感。”但是，只要我们还没有在实验室里找到暗物质的证据，或者证明暗能量的物理基础，我们就有可能仍然深陷于某种根本性的误解之中——或许，我们关于宇宙的数学模型出了某个非常基础的岔子，基础到了迄今为止还没有人想象得出这个错误会是哪一种形式，只是一个未知的未知。量子引力论能告诉我们前进的方向吗？抑或，一些新的观测能指引我们再次改写建立在广义相对论基础之上的宇宙学吗？

我们只有一些最含糊的线索，指引我们去寻找替代的宇宙学模型。但或许，我们只需要摈弃一个没有人注意到的关于现实的假设，帷幕就会升起，所有的黑暗随即烟消云散，繁星之夜将再现光芒。


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