“幽靈暗能量”赴宴來了

石無魚

一個(gè)世紀(jì)前，在天文學(xué)家心目中，宇宙還是一個(gè)平靜的所在。即使當(dāng)時(shí)整個(gè)歐洲都卷入了第一次世界大戰(zhàn)，但愛因斯坦還是認(rèn)為，宇宙從整體上說應(yīng)該是靜止的。所以，他在1917年2月提交給普魯士科學(xué)院的一篇論文中，為他剛出爐的廣義相對(duì)論方程添加了新的一項(xiàng)——宇宙學(xué)常數(shù)，旨在保證宇宙永恒靜止。

今天，歐洲是和平的，但宇宙卻騷動(dòng)不已。我們?cè)缇蛼仐壛藧垡蛩固龟P(guān)于一個(gè)靜止不變的宇宙的構(gòu)想。如今，這個(gè)宇宙不僅在膨脹，而且在神秘的暗能量作用下，膨脹還在加速。至于暗能量，除了知道它占宇宙總物質(zhì)-能量近2/3之外，沒有人知道它是什么。

而最近，新的測(cè)量表明，我們過去對(duì)暗能量的理解很可能也是錯(cuò)的，一個(gè)新的幽靈潛藏在宇宙中……

宇宙學(xué)常數(shù)扮演角色的演變

當(dāng)愛因斯坦在1915年完成對(duì)廣義相對(duì)論的最后一次修改時(shí)，他陷入了進(jìn)退兩難的境地。他的方程固然為受萬有引力支配的宇宙提供了一個(gè)優(yōu)雅簡(jiǎn)潔的描述，但有一件事讓他不安：沒東西能讓宇宙保持靜止。這個(gè)宇宙模型暗示，宇宙或者是膨脹的，膨脹到把自身撕裂為止，或者是收縮的，收縮到一個(gè)奇點(diǎn)。這可不符合當(dāng)時(shí)的人們對(duì)于宇宙的理解。他的解決方案是，在方程中引入一個(gè)叫“宇宙學(xué)常數(shù)”的項(xiàng)，由它來提供為保持宇宙靜止所需的能量。這個(gè)數(shù)值具體取多少，則依賴于觀測(cè)。

事實(shí)很快證明，愛因斯坦這么做是畫蛇添足。二十世紀(jì)20年代，美國天文學(xué)家哈勃等人發(fā)現(xiàn)，遙遠(yuǎn)的星系正彼此遠(yuǎn)離，宇宙正在膨脹，而不是愛因斯坦所設(shè)想的靜止。面對(duì)這一事實(shí)，愛因斯坦坦率承認(rèn)，引入宇宙學(xué)常數(shù)是他一生最大的錯(cuò)誤。

但是，也許匆匆承認(rèn)自己錯(cuò)了才是更大的錯(cuò)誤呢。上世紀(jì)90年代末，有兩組天文學(xué)家通過觀測(cè)宇宙深處超新星的亮度，發(fā)現(xiàn)宇宙在加速膨脹。宇宙膨脹在加速，說明必定有什么東西抵消了引力的減速作用，天文學(xué)家把這種未知的東西稱作暗能量。

但如何在愛因斯坦的宇宙模型中，把暗能量考慮進(jìn)去呢？最簡(jiǎn)單的辦法就是恢復(fù)宇宙學(xué)常數(shù)。雖然最初愛因斯坦是為了讓宇宙保持靜止而引入它的，但只要給予一個(gè)適當(dāng)?shù)闹?，它也可以產(chǎn)生使宇宙膨脹加速的效果。最新的觀測(cè)表明，用宇宙學(xué)常數(shù)所描述的暗能量，大約占宇宙總物質(zhì)-能量的68%。

那么，暗能量又是什么呢？大多數(shù)物理學(xué)家青睞的一種解釋是，它代表著空間的能量。因?yàn)榘船F(xiàn)代物理學(xué)的觀點(diǎn)，空間不空，虛空也是有能量的，里面此起彼伏地發(fā)生著量子漲落。而在廣袤的星際空間，什么都缺，就是不缺虛空。把虛空所含的能量考慮進(jìn)去，那是一項(xiàng)不小的“收入”。但遺憾的是，即使根據(jù)目前最好的估計(jì)，這些虛空的能量密度也比推動(dòng)宇宙加速膨脹所需要的暗能量密度，要高出10120倍。

但即便如此，暗能量和宇宙學(xué)常數(shù)如今已牢牢成為宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型的支柱。比起愛因斯坦最初的宇宙模型來，這個(gè)模型包含了兩種新東西：一種是暗能量，用宇宙學(xué)常數(shù)來描述；另一種是暗物質(zhì)，這也是一種神秘不可見的東西，它在星系演化過程中扮演著“腳手架”的角色。

暗能量的作用是推動(dòng)宇宙加速膨脹（注意：宇宙膨脹是大爆炸的結(jié)果，只有加速膨脹才是暗能量推動(dòng)的結(jié)果）；而暗物質(zhì)和普通物質(zhì)的作用卻是使宇宙膨脹減速。當(dāng)然，既然宇宙膨脹在加速，那說明前者的作用要大于后兩者的作用之和。

宇宙的標(biāo)準(zhǔn)“制服”不合身了

在過去的幾十年里，宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型已證明是相當(dāng)成功的，我們迄今對(duì)宇宙的任何新發(fā)現(xiàn)，新認(rèn)識(shí)，它都能解釋。

但最近幾年，事情變得有些不妙。為宇宙精心定制的這套“制服”，忽然變得“不合身”了。

壞事出在哈勃常數(shù)上。哈勃常數(shù)是天文學(xué)家用來描述宇宙膨脹的速率的。根據(jù)哈勃在上世紀(jì)初的觀測(cè)，遙遠(yuǎn)星系遠(yuǎn)離我們的速度V跟它離我們的距離D成正比，比例系數(shù)即為哈勃常數(shù)H。這一簡(jiǎn)單的關(guān)系可寫成V=HD。從這個(gè)式子可以看到，H的單位是速度/距離。

直到最近，哈勃常數(shù)公認(rèn)的值都來自于歐洲航天局的普朗克衛(wèi)星。它精確測(cè)量了宇宙微波背景輻射（一種宇宙大爆炸后的殘余輻射）后，利用現(xiàn)有的宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型間接推算出的哈勃常數(shù)是67.3千米每秒每百萬秒差距。

但這不是獲得哈勃常數(shù)的唯一方法。

自從哈勃的年代起，天文學(xué)家就已經(jīng)在利用來自遙遠(yuǎn)的恒星或星系的光來直接測(cè)量哈勃常數(shù)了。一些被稱為標(biāo)準(zhǔn)燭光的恒星散發(fā)的能量（天文學(xué)上叫光度，也就是實(shí)際亮度，它不隨觀測(cè)距離而變化，就像100W的燈泡，雖然近處看很亮，遠(yuǎn)處看很暗，但它都是100W）是可預(yù)測(cè)的，只要把它的實(shí)際光度跟我們?cè)诘厍蛏峡吹降乃囊暳炼茸鞅容^，就能精確確定其距離。就像100W燈泡，我們?cè)谶h(yuǎn)處用儀器測(cè)出它的亮度，就可以計(jì)算出我們與燈的距離。這樣由近及遠(yuǎn)地測(cè)量宇宙中一顆顆“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，能夠讓我們把標(biāo)示距離的“里程碑”向宇宙深處一級(jí)級(jí)推進(jìn)。這項(xiàng)技術(shù)叫宇宙距離階梯測(cè)量。

十年前，宇宙膨脹加速這一事實(shí)就是通過宇宙距離階梯測(cè)量發(fā)現(xiàn)的。此后十年，天文學(xué)家又不斷地修正測(cè)量結(jié)果和擴(kuò)大測(cè)量范圍，并由此不斷提高哈勃常數(shù)的精度。

還在2011年，通過宇宙階梯距離測(cè)量直接得到的哈勃常數(shù)，與來自普朗克衛(wèi)星間接推算所得的哈勃常數(shù)，還看不出有明顯的矛盾——主要是當(dāng)時(shí)兩者都存在較大的誤差。然而，自那以后，兩者的精度都提高了，誤差減少了，這兩個(gè)數(shù)值就表現(xiàn)出明顯的差異。最新的宇宙階梯距離測(cè)量將哈勃常數(shù)定在73.2千米每秒每百萬秒差距，這與普朗克衛(wèi)星測(cè)量推算的值67.3千米每秒每百萬秒差距已有了明顯的差距。

這就讓事情變得棘手。因?yàn)閬碜云绽士诵l(wèi)星的哈勃常數(shù)是通過宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型間接推算出來的。這意味著宇宙實(shí)際膨脹速度比標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的要快（V=HD，H大了，宇宙膨脹速度V自然也就大了）。

既然宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)把該考慮的一切——暗能量和暗物質(zhì)——都考慮進(jìn)去了，現(xiàn)在還是與實(shí)際不符，那意味著必定有什么東西、什么關(guān)系被它遺漏了。那會(huì)是什么呢？

“幽靈暗能量”來赴宴了

當(dāng)前，最大的懷疑對(duì)象還是標(biāo)準(zhǔn)模型中的宇宙學(xué)常數(shù)所代表的暗能量。有人提出，我們應(yīng)該放松“暗能量密度在整個(gè)宇宙一生中必須保持恒定”這一要求。換句話說，宇宙學(xué)常數(shù)不再是一個(gè)恒定不變的常數(shù)，而是會(huì)隨著時(shí)間推移在增加。

這也意味著暗能量會(huì)隨著時(shí)間變化。當(dāng)然，暗能量會(huì)變化的觀點(diǎn)在歷史上也不新鮮。早在上世紀(jì)80年代，雖然當(dāng)時(shí)還沒有明確提出暗能量這個(gè)概念，但有人就提出，宇宙中存在一個(gè)無孔不入的場(chǎng)，類似于第五種相互作用力，但場(chǎng)的強(qiáng)度可以隨著時(shí)間改變，一種負(fù)能量——將宇宙分開的能量——必須不斷地產(chǎn)生，并且一旦產(chǎn)生就不會(huì)消失。

當(dāng)然，這種觀點(diǎn)之前是無法接受的，從傳統(tǒng)的觀點(diǎn)看，能量不能無中生有。所以，有人戲稱這種理論中的暗能量是“幽靈暗能量”。暗能量本來就夠幽靈的了，因?yàn)槲覀兤駥?duì)它幾乎一無所知，但它又決定了宇宙的命運(yùn)；而現(xiàn)在，它又違反能量守恒定律，能從虛無中產(chǎn)生，那真是比幽靈還幽靈了。

盡管不一定接受老版本的“幽靈暗能量”理論，但鑒于近幾年宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型遇到的困難，宇宙學(xué)家不得不驚呼：“幽靈暗能量”又回來了！

藏在幽靈面具背后的

會(huì)是什么？

那么，“幽靈暗能量”會(huì)是什么呢？在這里，科學(xué)家也“技窮”了，只能姑妄言之。

一種觀點(diǎn)認(rèn)為，宇宙中兩個(gè)最“不合群”的居民——暗物質(zhì)和暗能量——可能以某種方式秘密地互動(dòng)，造成我們所看到的影響。例如，如果暗物質(zhì)不斷地衰變成暗能量，那就可以解釋暗能量的增長。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，有幾個(gè)迄今未發(fā)現(xiàn)的能量場(chǎng)以某種方式相互作用，產(chǎn)生了一種隨時(shí)間變化的排斥力。

如果能證明“幽靈暗能量”是子虛烏有的幽靈，當(dāng)然是最理想的結(jié)果。所以，天文學(xué)家們還是希望能用更精確的觀測(cè)來彌合理論與實(shí)際的分歧。將在2020年初發(fā)射的歐幾里得空間探測(cè)器以及擬在2019年初開始測(cè)量南半球天空的大型巡天望遠(yuǎn)鏡，將有助于改進(jìn)哈勃常數(shù)的測(cè)量精度。

另外，在2017年，激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）和室女座探測(cè)器同時(shí)探測(cè)到了兩顆中子星碰撞產(chǎn)生的時(shí)空漣漪——引力波。這是天文學(xué)家第一次使用引力波探測(cè)器和光學(xué)探測(cè)器觀測(cè)到同一個(gè)天文事件。雖然單獨(dú)的引力波測(cè)量，也可以顯示宇宙的膨脹速度，但目前誤差太大，而引力波探測(cè)器和光學(xué)探測(cè)器這種組合將為他們提供了一種更高精度的探測(cè)技術(shù)。

所以，“幽靈暗能量”到底有沒有，在塵埃落定之前，讓我們還是先不要急著下結(jié)論吧。

小貼士

標(biāo)準(zhǔn)燭光

天文學(xué)上已知光度的天體。由于一些天體特殊的發(fā)光機(jī)制，它們的光度是可以預(yù)測(cè)的，而且這類天體在任何位置、任何時(shí)間，其光度都保持恒定。這就讓它們可用做標(biāo)示宇宙距離的“里程碑”。選做標(biāo)準(zhǔn)燭光的天體一般是超新星。

秒差距

像光年一樣，這是天文學(xué)上常用的一個(gè)距離單位。假設(shè)有一顆恒星，以太陽、地球和它為頂點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)三角形，底邊是日地連線。如果恒星離太陽系足夠遙遠(yuǎn)，我們可以近似認(rèn)為它離太陽和地球是等距的。如此一來，這個(gè)三角形就是一個(gè)等腰銳角三角形。顯然，所張銳角越小，恒星離我們?cè)竭h(yuǎn)。所以，所張角度數(shù)可當(dāng)作衡量恒星距離的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。1秒差距就是指，當(dāng)張角度數(shù)為1秒時(shí)，恒星離開我們的距離。1秒差距大約相當(dāng)于3.26光年。注意，百萬秒差距，嚴(yán)格說應(yīng)該是百萬分之一秒差距。這是翻譯上的一種簡(jiǎn)略說法。百萬秒差距就是3.26×106光年。