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暗能量:宇宙中的幽灵

http://www.sina.com.cn 2007年01月11日 15:44 《财经》杂志

  何时是这个“绝对配得上诺贝尔奖”的问题的终点,还是一个巨大的问号。目前还没有任何理论配得上这一奖赏

  □ 本刊记者 王以超/文

  宇宙是如何诞生并且演化到今天的?其未来又将走向何方?这个科学命题——或者说哲学命题,数千年来一直困扰着人类。

  大约14年前,人们一度以为有了完美的答案:通过对于宇宙背景微波辐射的观测,天文学家最终验证了1929年爱德文哈勃(Edwin Hubble)的猜想,即宇宙诞生于大约137亿年前的大爆炸(Big Bang)。之后,随着宇宙的演化,银河系、太阳系、地球,乃至我们人类自身,都陆续登场。

  2006年10月,正是凭借这一重要成就,美国科学家乔治斯穆特(George F Smoot)、约翰马瑟(John C Mather)分享了该年度的诺贝尔物理学奖。

  但我们对宇宙的了解,显然也还刚刚开始。就在此一个月后,美国航空航天局(NASA)公布的最新研究结果表明:至少在90亿年前,一种被称为“暗能量”(dark energy)的神秘力量已经存在。

  也就是说,在整个宇宙诞生后不到50亿年时,就开始受到暗能量影响。而此前,科学家普遍认为,在宇宙的早期,或许这种力量并不存在,因为那个时候主宰一切的还是我们熟悉的引力。

  尽管这一结果仍不能确定地告诉我们宇宙的未来是怎样的,但显然,它为我们彻底理解宇宙的运行规律带来了新的曙光。相关的论文也将发表在2007年2月美国《天体物理学报》(The Astrophysical Journal)上。

  这一研究小组的负责人、美国约翰霍普金斯大学(John Hopkins)教授阿德姆瑞斯(Adam Riess)在接受《财经》记者采访时表示:“我们距离真正了解暗能量仍然很远。但很显然,这是非常重要的一步,因为它给出了更多的‘线索’(clue)。”

  宇宙为什么加速膨胀?

  暗能量的发现过程极富戏剧性。

  按照宇宙大爆炸理论,在大爆炸发生之后,随着时间的推移,宇宙的膨胀速度将因为物质之间的引力作用而逐渐减慢,就像缓慢踩了刹车的汽车一样。也就是说,距离地球相对遥远的星系,其膨胀速度应该比那些近的星系慢一些。

  但1998年,美国加州大学伯克利分校(UC Berkeley)物理学教授、劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)高级科学家索尔皮尔姆特(Saul Perlmutter),以及澳大利亚国立大学布赖恩施密特(Brian Schmidt)分别领导的两个小组,通过观测发现,那些遥远的星系正在以越来越快的速度远离我们。

  换句话说,宇宙是在加速膨胀,仿佛一辆不断踩油门的汽车,而不是像此前科学家所预测的那样处于减速膨胀状态。

  这样一个完全出乎意料的观测结果,从根本上动摇了对宇宙的传统理解。那么到底是什么样的力量,在促使所有的星系或者其他物质加速远离呢?

  科学家们将这种与引力相反的斥力来源,称为“暗能量”。但“暗能量”到底意味着什么?至今我们能够给出的,只是一个十分粗略的宇宙结构“金字塔图景”:

  我们所熟悉的世界,即由普通的原子构成的一草一木、山河星月,仅占整个宇宙的4%,相当于金字塔顶的那一块。

  下面的22%,则为暗物质。这种物质由仍然未知的粒子构成,它们不参与电磁作用,无法用肉眼看到。但其和普通物质一样,参与引力作用,因此仍可能探测到。

  作为塔基的74%,则由最为神秘的暗能量构成。它无处不在,无时不在,由于我们对其性质知之甚少,所以科学家还不清楚如何在实验室中验证其存在。惟一的手段,仍然是通过天文观测这种间接手段来了解其奥秘。

  对Ia类型超新星(supernova)的爆发进行观测,则是目前最主要观测手段。这种超新星是由双星系统中的白矮星(white dwarf)爆炸形成的,亮度几乎恒定。这样,通过测量其亮度,就可以知道其和地球之间的距离,进而了解其速度。

  借助哈勃这样灵敏的天文仪器的帮助,我们至少可以观测到90亿光年之外,即了解宇宙在90亿年前的信息。

  霍普金斯大学教授阿德姆瑞斯给我们展示的最新“暗能量”场景如下:

  在大爆炸后的初期,宇宙经历了一个急速膨胀阶段。此后,由于暗物质以及物质之间的距离非常接近,在引力作用下,宇宙的膨胀速度开始减速。

  然而,至少在90亿年前,宇宙中另外一种力量——表现为排斥力量的暗能量已经出现,并且开始逐步抵消引力作用。

  随着宇宙的膨胀,不断增长的暗能量终于在大约50亿至60亿年前超越引力。此后,宇宙从减速膨胀,转变为加速膨胀状态,并且一直持续至今。

  爱因斯坦的遗产

  中国科学技术大学物理学教授李淼曾经半开玩笑地表示:“有多少暗能量专家,就有多少暗能量模型。”也许这种说法不无夸张之处,但暗能量在理论方面的混沌状况,从中也可见一斑。

  其中,最具戏剧性的理论,则是复活爱因斯坦当年提出的“宇宙常数”(cosmological constant)。1917年,被认为是整个20世纪最伟大的科学家阿尔伯特爱因斯坦(Albert Einstein),为了建立一个稳态宇宙模型,最早提出了这个概念。不过,后来就连他本人也承认,“宇宙常数”只是一个错误的概念。

  但暗能量的存在,则为宇宙常数提供了新的可能性。如果暗能量就是这个宇宙常数的话,那么它的力量强弱将只和宇宙的大小有关。随着宇宙的膨胀,其体积逐渐增大,因而暗能量也将逐渐增大。最终,它会达到一个临界点,使得宇宙从减速状态变成加速状态,并且一直加速下去。

  中国科学院高能物理所研究员张新民在接受《财经》记者采访时指出,迄今为止的观测结果,包括瑞斯最新的结果在内,与爱因斯坦的宇宙常数理论“都很符合”。

  但是,宇宙常数距离成为一种确定性的暗能量理论还差得很远。一些科学家半开玩笑地说,按照这种模型,宇宙将一成不变地加速膨胀下去,未免太“枯燥”(boring)了一些。

  当然,最为致命的是,按照量子场论计算出来的宇宙常数,比天文观测获得的上限至少也要高出10的120次方倍。

  一个最为诡异但不乏科学依据的解释,是“多宇宙论”。观测和理论或许都没有错,事实上,在我们生存的宇宙之外,还存在多到无法计数的其他的宇宙。科学家们可以想像到的宇宙数量不是以万或者亿来计算的,很可能多到10的1000次方个。

  每个宇宙都有不同的宇宙常数,而我们恰恰生存在一个宇宙常数很小的宇宙中。仿佛冥冥之中有一个“上帝之手”,把一个适合智慧生命生存的宇宙呈现在我们面前。

  但对于这种寄希望多宇宙存在的“人择原理”(anthropic principle),在天文学家和物理学家中间都存在很大的争议。中国科学院高能物理所研究员张新民对《财经》记者说,很多人认为这仅仅是一种猜想而已,还远远谈不上“原理”。

  更为尖锐的批评,则认为这种解释与其说是一种科学理论,倒不如说更像一种宗教信仰。

  为避免这种冲突,科学家们提出个各种暗能量理论,来代替宇宙常数模型。其中比较有代表性的包括精质(quintessence)模型、幽灵(phantom)模型等,张新民和中国科学技术大学物理学教授李淼也分别提出了精灵(quintom)和全息(holographic)模型。

  宇宙的未来

  如果这些替代的暗能量理论能够成立,它们所指向的将是截然不同的宇宙未来:

  根据精质等动力学标量场(scalar field)模型,宇宙的未来将复杂得多;也许将继续加速膨胀下去,也许会减缓膨胀的速度,甚至走向收缩,导致宇宙最终以与大爆炸相反的“大坍缩”(big crunch)收场。

  而根据幽灵模型,暗能量将不断增大,导致宇宙以越来越快的加速度膨胀。最终,宇宙将走向“大撕裂”(big rip)。

  精灵模型则给出了一个“振荡的未来”。张新民对《财经》表示,根据他提出的这一理论,整个宇宙将在加速膨胀和减速膨胀之间反复演绎,“大坍缩”和“大撕裂”这两种极端的情况都不会出现。

  最大的困难,在于迄今为止,我们能够研究暗能量的手段仍然十分有限。目前,最主流的仍然是借助超新星的观测。但有些人担心,特别是在宇宙早期,可能超新星的亮度也不是恒定的,它也有自己的演化过程。

  即使这种担心可以排除,鉴于这些超新星距离地球非常非常遥远,观测它们的难度,在瑞斯看来就像在两个月球的距离之外观测一个60瓦的灯泡。即使哈勃望远镜具有非常高的敏感度,也存在难以消除的系统误差。

  通过对大尺度宇宙结构(比如星系团等)的研究,或许能为暗能量提供新的线索。一旦暗能量存在的话,星系团的形成过程可能要更慢一些,因为引力需要先克服这种斥力。

  目前,一个空间探测计划斯隆数字巡天(SDSS)已经完成了第一阶段为期五年的运行,一旦全部完成之后,这一足以覆盖四分之一的天空的精细光学成像设备,无疑将披露更多的细节。

  据悉,目前中国科学家也正在试图利用北京附近新上马的LAMOST(大天区面积多目标光纤光谱望远镜)来观测超新星,从而探索在中国首次进行暗能量实验研究的可能性。而利用伽马暴(超大质量星体爆发而形成的宇宙高能辐射),也许将为进一步研究更早期的暗能量提供间接手段。

  北京师范大学物理学教授朱宗宏在接受《财经》记者采访时指出,目前对于伽马暴天文学的探索还处在初级阶段,有点类似于1998年暗能量刚被发现时的超新星天文学,但其某些性质,从长期来看仍然有可能用来研究暗能量。

  那么,是否有可能利用实验室来直接研究暗能量呢?一些人已经宣称,可以利用纳米技术来实现这一目标。瑞斯在接受《财经》采访时表示,一些科学家也希望利用短距离(short-range)的引力实验,发现暗能量的线索。

  美国加州理工学院(CIT)的物理学家西恩卡罗尔(Sean Carroll)也对《财经》记者强调,要找到一个更具确定性的模型,不仅需要天文学上的数据,可能更需要来自粒子物理学的证据。尤其是2007年即将在欧洲投入运行的大型强子对撞机(LHC),或许“我们可以期待”。

  不过,由于对暗能量的性质、包括与其他物质的反应机理还不清楚,很多科学家认为,短期之内还无法对实验室内的工作寄予太大希望;更为现实的渠道,或许仍来自天文观测。

  如果不出意外,普朗克(PLANCK)探测器将于2007年一季度正式升空,它将对天空进行更加精密的探测。在接受《财经》记者采访时,皮尔姆特也表示,由它所在的实验室负责设计的超新星加速探测器(SNAP),按照计划将于2013年或者2014年升空。

  “在未来五到十年中,我们对于暗能量的性质或许将有更加清晰的了解。”英国诺丁汉大学物理与天文学院教授克里斯托弗康瑟利斯(Christopher Conselice)对《财经》记者说。

  几乎没有人否认,暗能量对于整个宇宙学乃至物理学而言,都不啻是一场革命。1979年诺贝尔物理学奖得主斯蒂芬温伯格(Steven Weinberg)曾明确表示,“如果不解决暗能量这个‘路障’,我们就无法全面理解基础物理学。”著名华裔物理学家、1957年诺贝尔物理学奖得主李政道也断言,暗能量将是21世纪物理学面临的最大挑战。

  但是,何时是这个“绝对配得上诺贝尔奖”的问题的终点,目前还是一个巨大的问号。正如卡罗尔在接受《财经》记者采访时所言,“目前还没有任何理论,配得上这一奖赏。”

  瑞斯也对《财经》记者强调,理论工作非常困难。在这样一个十分前沿的领域,何时能取得突破,的确难以预测。

  在康瑟利斯看来,一旦暗能量得以真正证实,1998年两个超新星观测小组的负责人皮尔姆特、施密特,以及其他从事宇宙背景微波辐射研究工作的,都是比较有可能的候选人。也就在2006年6月,皮尔姆特、施密特和瑞斯三人,因在这个领域的杰出贡献,共同分享了该年度的“邵逸夫天文学奖”。

  当然,这场长跑刚刚过去了不足九个年头,真正的竞争或许刚刚开始。-

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