大宇宙，大困惑

漢水

假若宇宙起始于一次大爆炸，那么大爆炸以后，宇宙的膨脹方式會是怎樣的呢？科學家們猜測，宇宙的膨脹應該受到引力的牽制，引力仿佛是宇宙大爆炸的“制動器”，它會慢慢使宇宙的膨脹變得慢下來。為了證明這一點，科學家們需要找到證據(jù)，方法是給遙遠的天體定位，并測量它們如何運動。以前，人們在宇宙中發(fā)現(xiàn)過一種神秘的脈動變星，名為“造父變星”，這種變星的光變周期和光度之間有穩(wěn)定的關系，因而可用來確定天體的距離，所以造父變星被稱為宇宙的“量天尺”。然而現(xiàn)在，當科學家們想研究宇宙的膨脹時，這個“量天尺”已經(jīng)顯得不夠用了，因為幾十億光年以外，造父變星已經(jīng)無法看見?？茖W家們必須尋找更長的“量天尺”。

他們找到的這個更長的“量天尺”就是超新星。超新星是爆炸的恒星，其中的一種名為Ia型超新星非常亮，是超致密老年恒星——白矮星爆炸的產物。一旦爆炸，它發(fā)出的光相當強烈，亮度不亞于整個星系，這使得人們容易在很遠的地方觀測到它們。除了亮，Ia型超新星的亮度還非常一致，這是因為白矮星的質量有一個上限，爆炸時大多接近這個上限，所以爆炸發(fā)出的光度也就基本一樣了。光度一樣意味著，觀測一顆Ia型超新星的亮度可以推測它和地球的距離，亮度高，表明距離近；亮度低，表明距離遠，這正是“量天尺”應該具備的重要特性。但要研究宇宙的膨脹，僅僅看亮度還不行，人們還必須觀測Ia型超新星的光譜，測出其中的紅移量。紅移量的大小能告訴人們，在這個超新星爆炸期間，宇宙膨脹了多少。假若科學家們觀測了處在不同距離上的超新星，又把測得的紅移量和距離對應起來進行研究，他們便不難了解宇宙正在以怎樣的方式膨脹了。

使用Ia型超新星完成“量天”的任務，其中的甘苦自然一言難盡，但總的來說，科學家們還是發(fā)現(xiàn)了一些遙遠的超新星。出人意料的是，它們的星光比預期的要暗，這一結果令科學家們大惑不解，因為這與人們事先的預測恰恰相反，說明宇宙的膨脹不僅沒有越來越慢，反而越來越快了。

為什么宇宙的膨脹會變快呢？科學家們認為，一定有一種神秘的力量在與引力抗衡，這種不可見的力量導致宇宙莫名其妙地加速膨脹。他們把這種力量稱為“暗能量”。這就是十幾年前，科學家們利用超新星發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹的故事，其中3位有杰出貢獻的科學家于2011年獲得了諾貝爾物理學獎?；叵氘斈辏瑦垡蛩固篂榱艘胍环N能與引力相抗衡的斥力，曾在他的方程里加了一個常數(shù)，他稱為“宇宙學常數(shù)”。但后來，愛因斯坦認為，加上這個常數(shù)是一個錯誤。然而現(xiàn)在看來，這個常數(shù)也不無道理，暗能量正好可用這個常數(shù)表示，它正在加速宇宙的膨脹。

科學家們認為，暗能量構成了宇宙中不可見的一部分。2001年，“威爾金森微波各向異性探測器”證實了暗能量占宇宙總物質能量密度的73%。這一結果毫無疑問地表明，暗能量在現(xiàn)代物理學中意義非凡，了解暗能量對理解時間、空間、物質和能量至關重要。然而，暗能量是什么呢？人們并沒有找到答案。美國芝加哥大學的宇宙學家邁克爾·特納談到這種難以捉摸的能量時說：“迄今為止，我們在暗能量研究上的最大成就就是給它起了一個名字。面對這道難題，我們確實只是剛剛起步?！?/p>

探索暗能量的困難主要表現(xiàn)在那個“暗”字上，因為人們很難直接觀測到它們。事實上，宇宙拿這一套把戲來捉弄人類的智慧已經(jīng)不是第一次了。大約70年前，科學家們就發(fā)現(xiàn)，星系團中可見物質的引力不足以把眾多星系束縛在一起，但星系團確實維系了它的穩(wěn)定，這說明星系團中的引力遠遠超出了可見恒星所產生的引力，表明星系團中存在著大量我們看不見的物質，這就是科學家們稱作“暗物質”的東西。他們認為，暗物質在宇宙中起著重要作用。在宇宙的早期，暗物質聚集的星系團吸收普通物質，開啟恒星和星系形成的序幕，在星系的產生和發(fā)展中扮演至關重要的角色。暗物質還把眾多星系束縛在一起，使星系聚集成團，不致分崩離析。

近幾十年來，隨著天文學家們對宇宙觀測的日益深入，人們意識到，宇宙也許正是在暗物質和暗能量的博弈中發(fā)展和演化的。暗物質產生引力，暗能量產生負引力，如果說引力相當于宇宙的“制動器”，那么負引力就相當于宇宙的“加速器”。引力試圖把物體結合在一起，而負引力則試圖將物體分開。137.5億年前，宇宙大爆炸開始后，引力的確主宰著宇宙，那時是“制動器”的力量占上風，宇宙的膨脹在一點點地減緩。然而到了大約七八十億年前，隨著宇宙在膨脹中逐漸變稀，引力也越來越弱，這時暗能量開始占據(jù)上風了，于是引力逐漸屈服于暗能量，“加速器”開始發(fā)生作用，并最終把宇宙從減速膨脹的狀態(tài)扭轉到了加速膨脹的狀態(tài)上來，這就是我們今天看到的宇宙。

但由于暗物質不與電磁發(fā)生作用，人們無法觀測到它們，所以人類至今并沒有弄清組成暗物質的成分究竟是什么，這成了現(xiàn)代粒子物理學家們深感頭痛的一件事，而暗能量更是宛如幽靈一般高深莫測，人類現(xiàn)有的那點認識好像只能對它“望洋興嘆”。我們知道，不論是物理學還是天文學，它們都是以觀測和實證作為重要依據(jù)的，然而暗物質和暗能量恰恰是難以觀測的東西，這真是一個令人頗覺無奈的悖論，事實也證明的確如此。美國加州理工學院的宇宙學家肖恩·卡羅爾說：“宇宙這樣戲弄我們真是不公平，它給了我們令人興奮的線索，然后又關閉大門，阻止我們獲得更多的東西。”現(xiàn)在人們已經(jīng)清楚，暗物質占整個宇宙總物質能量密度的23%，暗能量占宇宙總物質能量密度的73%，這構成了我們對宇宙并不清楚的部分，而這個部分的總和竟占宇宙總物質能量密度的96%。也就是說我們對這96%的宇宙是不了解的，這是現(xiàn)代天文學和現(xiàn)代物理學的大困惑。