暗能量之謎

易照華

現(xiàn)代天文學(xué)的三朵烏云：暗物質(zhì)、暗能量、“先鋒號”反常，是當(dāng)前天文學(xué)最前沿的研究領(lǐng)域，而暗能量是其中最為神秘的。對于暗物質(zhì)，雖然現(xiàn)在還不清楚它的實質(zhì)，但可以從它的引力效應(yīng)表明其存在，并且還能估計出它的數(shù)量約為可觀測(用各種波段)物質(zhì)的6倍。而暗能量更模糊，不僅沒有引力效應(yīng)，可能還有相反作用。

要說明暗能量情況，必須先從愛因斯坦提出廣義相對論談起。他在1915年11月發(fā)表的論文中，描述了物質(zhì)和時空(包括時間和空間)的關(guān)系，是用一個重要的方程式表達，就是著名的愛因斯坦方程。用此方程預(yù)言；在一個物質(zhì)分布大致均勻的宇宙中，空間不可能是靜止，不是膨脹就是在收縮。而當(dāng)時的天文學(xué)觀測水平，還沒有發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)星系的運動，看起來宇宙好像是靜止的，這就使愛因斯坦感到困惑。為了能說明宇宙是靜止的，他沒有宣布根據(jù)場方程所得宇宙不是膨脹就是收縮的預(yù)言，而是大膽地在場方程中增加一項，其系數(shù)是常數(shù)。它代表宇宙中單位體積包含能量的總和，后來此常數(shù)得到公認(rèn)，就命名為“宇宙常數(shù)”或“宇宙學(xué)常數(shù)”。他在1917年的論文中說明，此常數(shù)有一個特定的非零數(shù)值，可使宇宙保持靜止。

但是到1922年，一位俄羅斯數(shù)學(xué)家弗里德曼證明，愛因斯坦提出的這種靜止宇宙是不穩(wěn)定的，一點輕微的干擾或波動就會被破壞，使宇宙膨脹或收縮。愛因斯坦先發(fā)表申明，認(rèn)為弗里德曼錯了。不久又正式發(fā)表文章，收回這個申明，公開宣布弗里德其實是正確的。

對靜止宇宙看法的致命打擊是在1929年。美國天文學(xué)家哈勃用當(dāng)時世界上最大望遠(yuǎn)鏡多年觀測的資料，發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)星系都在離開我們向外運動，而且運動速度與星系的距離成正比。用公式表達為：v=HD

其中v代表向外運動速度，H為常數(shù)，D就是星系同我們的距離。此公式得到公認(rèn)后，就命名為“哈勃定律”，H就命名為“哈勃常數(shù)”。這個定律成為膨脹宇宙的觀測證據(jù)。愛因斯坦得知后，曾對熟悉的科學(xué)家說，他自己引入非零宇宙常數(shù)是‘最大錯誤，并多次建議取消宇宙常數(shù)。但當(dāng)時不少著名科學(xué)家認(rèn)為不能取消，也許非零宇宙常數(shù)有另外的物理意義。果然在70年后(1998年)，這個非零宇宙常數(shù)，同暗能量掛上鉤。

在這70年間，天文學(xué)有迅猛的發(fā)展。人們還建立了接收天體無線電波輻射來研究天體的“射電天文學(xué)”；開創(chuàng)了將天文儀器放到人造衛(wèi)星上觀測研究天體的“空間天文學(xué)”等；發(fā)現(xiàn)了大量的不同距離的遙遠(yuǎn)星系和由很多星系組成的集團；又發(fā)現(xiàn)很多比一般星系更遙遠(yuǎn)的天體——‘類星體，我們能觀測到的距離達140億光年。

現(xiàn)在大多數(shù)科學(xué)家都支持宇宙起源于大爆炸，在不斷膨脹和冷卻過程中逐步形成基本粒子、化學(xué)元素、化學(xué)分子、星系、恒星、行星等。首先要考慮的重要問題是宇宙大范圍空間是平坦或是彎曲的?因為按照愛因斯坦的廣義相對論，密度較大物體的引力使得附近空間彎曲；但這僅是局部情況，對大范圍宇宙空間而言，密度很低，引力彎曲效應(yīng)可能微不足道。故大范圍宇宙空間仍可能平坦，與常人直觀感覺一樣。這種結(jié)論最好有較明確的證據(jù)。描述彎曲程度的量是曲率；曲率為正是正向彎曲(像橢圓)；為零是平坦，為負(fù)是負(fù)向彎曲(像雙曲線)。1979年，在美國工作的物理學(xué)家古思根據(jù)直線加速器的實驗，提出宇宙大爆炸初期有暴脹期，在極短時間內(nèi)(不到萬億分之一秒)暴脹1050倍。這個結(jié)果經(jīng)幾位科學(xué)家做少量補充修正后。逐步得到大家承認(rèn)。暴脹理論可以說明宇宙是平坦的，曲率為零。

根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，曲率為零的膨脹宇宙平均密度有確定的數(shù)值，稱為臨界密度?？墒怯梢阎钪嫒课镔|(zhì)得到的平均密度，比臨界密度小得多：加上所估計的暗物質(zhì)眉，得到的密度還不到臨界密度的1/4。到1990年以后。一些科學(xué)家重新提出，若宇宙常數(shù)不等于零，它就是單位體積包含的能量大小，可稱為能量密度。按照愛因斯坦的著名公式：

E=mc²

其中E代表能量，m代表質(zhì)量，C為光的速度，即每秒30萬千米。也就是說，質(zhì)量為1克的物質(zhì)，對應(yīng)于9萬億億爾格的能量，則這部分能量所對應(yīng)的質(zhì)量也可以為宇宙平均密度作出貢獻。由于這部分不是由已知物質(zhì)或暗物質(zhì)提供的，因此稱為暗能量。它的大小能否由觀測資料算出來呢?

設(shè)臨界密度為D，由已知物質(zhì)和暗物質(zhì)提供的宇宙平均密度為A，由暗能量提供的平均密度為B。再設(shè)a=A/D，b=B/D。根據(jù)現(xiàn)在所知的物質(zhì)和暗物質(zhì)資料，可算出a=0.25，問題是怎樣算出b值。

暗能量起什么作用呢?宇宙在不斷膨脹，由于宇宙內(nèi)物質(zhì)(包括暗物質(zhì))的相互引力作用，應(yīng)該阻礙膨脹，故宇宙的膨脹速度應(yīng)逐漸減小。哈勃在1929年提出哈勃定律時，因星系資料不多，得到的宇宙膨脹速度接近常數(shù)。如果用70多年來積累的更多更精確的觀測資料，證明宇宙膨脹速度真的在不斷減少，暗能量作用就不明顯。假如情況相反，觀測資料證明宇宙在加速膨脹，則暗能量就起了與引力相反的作用，加速宇宙膨脹。

要證明這點，需要得到更多遙遠(yuǎn)天體的準(zhǔn)確距離。20世紀(jì)90年代初，很多人注意到超新星。這是由原來看不見暗弱恒星突然增亮到看見，好像新出現(xiàn)的星，故中國古代人取名為新星：如果亮度增加超過一千萬倍，現(xiàn)在就稱為超新星。當(dāng)時在美國成立了兩個超新星研究組，一個在哈佛大學(xué)，另一個在加州大學(xué)伯克立分校。他們互相競爭和監(jiān)督，同時研究一種特殊類型超新星，它們是由高密度的白矮星(表面溫度高，但體積很小的恒星)質(zhì)量超過臨界值時爆炸而成，最亮?xí)r的絕對亮度幾乎一樣。同用觀測得到的視亮度比較，就可以算出超新星的距離。兩個組獨立地用人造衛(wèi)星上望遠(yuǎn)鏡的精確觀測資料，發(fā)現(xiàn)了幾十顆這種類型的超新星，分布在各個遙遠(yuǎn)的星系或其他天體中。算出距離后發(fā)現(xiàn)，這種超新星的距離比用哈勃定律算出的更遠(yuǎn)。這說明宇宙在加速膨脹!而且他們還根據(jù)膨脹速度的變化，估算出a，b的差值為b-a=0.46。即b=0.46+0.25=0.71。

1998年2月，兩個研究組同時公布彼此獨立研究的結(jié)果，引起轟動。當(dāng)然這些數(shù)值存在一定誤差，其中a+b=0.96。同1的差別也在誤差范圍之內(nèi)。這說明已知物質(zhì)、暗物質(zhì)與暗能量提供的宇宙平均密度，同平坦宇宙的臨界密度相等。以后幾年用其他的觀測資料算出的a+b=1.02，與1更接近。這表明，宇宙是平坦的，暗能量是存在的，而且是加速宇宙膨脹的主要因素。

以上結(jié)果還不能算最后結(jié)論，需要用更多更精確的觀測來證實。即使暗能量真的存在，也還有下面的問題需要解決：

首先要弄清楚暗能量的實質(zhì)，它既然不是觀測到的物質(zhì)或暗物質(zhì)，究竟是什么玩意兒?是一種什么樣的能量?

其次是要弄清楚暗能量加速宇宙膨脹的機制，怎樣起加速作用?有人認(rèn)為是一種斥力，因為它與引力作用相反。即使是斥力。也需要建立相應(yīng)的理論和作用規(guī)律。

另外還要考慮以后的變化。粗略看來，隨著宇宙不斷膨脹，由物質(zhì)和暗物質(zhì)提供的宇宙平均密度會不斷減小，即a值在減小。但整個宇宙保持平坦，即a+b=1；則b值要不斷增加，也就是暗能量增加，更加速宇宙膨脹。這種循環(huán)會產(chǎn)生什么后果?

總之，暗能量仍然是一個謎。

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