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暗能量真的存在吗?

脑洞大开 爱 好奇 1556浏览 0评论 来自微信:环球科学 | huanqiukexue

1948

科学家曾认为暗能量构成了3/4的宇宙,并在幕后操纵着宇宙的快速膨胀,但没有人能够确定它的存。现在,一些人开始质疑暗能量:如果我们抛弃哥白尼以来的世界观,承认地球处于极其特殊的位置——一个宇宙巨洞的中心,暗能量就没有存在的必要。

撰文 蒂莫西·克利夫顿 佩得罗·G·费雷拉

翻译 虞骏

科学界最伟大的革命,往往由现实和预期之间最细微的差异所引发。16世纪,哥白尼提出地球并非宇宙中心,他的立论基础在当时许多人看来,不过是天体运动中一些深奥难懂的细枝末节。今天,一场新的科学革命,已经随着11年前宇宙加速膨胀的发现而拉开序幕。超新星亮度上的细微差异,曾让天文学家得出结论:构成宇宙的所有物质成分当中,有70%是完全未知的。也就是说,空间中充斥着一种不同于其他任何物质的成分——它们始终推动着宇宙膨胀,而不像其他物质那样阻碍膨胀。这种成分被称为暗能量(dark energy)。

10多年过去了,一些宇宙学家依然对暗能量的存在感到不可思议,甚至开始重新思考那些最初令他们推导出暗能量的基本假设。其中一个假设正是早期科学革命的产物——哥白尼原理(Copernican principle)。这个原理认为,地球所处的位置既不是宇宙中心,也没有任何特殊之处。如果我们抛弃这一基本原理,一套能够解释这些观测现象而又不需要借助暗能量的宇宙图景,就会令人惊讶地显现出来。

大多数人都非常熟悉这样一个观念:我们这颗行星不过是一粒宇宙微尘,在一个毫不起眼的星系边缘附近,围绕着一颗普普通通的恒星旋转。在我们这个宇宙当中,类似的星系至少有数十亿,分布之广甚至超过我们的宇宙视界(cosmic horizon,即我们能够观测到的最远边界)——这使我们相信,自己在宇宙中的位置没有任何独一无二之处。不过,有什么证据能够支持如此谦卑的宇宙观?我们又如何才能确定自己是否处在一个特殊位置上呢?天文学家通常会跳过这些问题,假定我们的微不足道是显而易见的,不需要进一步探讨。我们或许真的处在宇宙中一个特殊的位置——考虑这样一种可能性在许多人看来似乎是不可思议的。然而,这正是世界各地一些物理学家小组最近正在认真思考的观点。

具有讽刺意味的是,假设自己在宇宙中无足轻重,恰恰给宇宙学家提供了强大的解释能力。根据哥白尼原理归纳而成的宇宙学原理(cosmological principle)声称:任何时刻,从空间中的任意一点朝任意方向看去,宇宙的模样都是一样的。这个假设让我们可以把自己在宇宙一隅看到的东西外推到整个宇宙。宇宙学家已经付出了巨大的努力,以宇宙学原理为基础,构建起了代表科学最高水准的宇宙学模型。结合现代科学对空间、时间和物质的理解,宇宙学原理暗示:空间正在膨胀,宇宙正在变冷,其中充斥着来自炽热宇宙开端的遗迹——所有这些预言都被天文观测一一证实。

比如说,天文学家发现,遥远星系发的光似乎比邻近星系发的光更红一些。这种被称为红移(redshift)的现象就能够用空间膨胀来巧妙解释,因为光波也会随空间的膨胀而被相应地拉长。微波探测器还发现了宇宙极早期发出的辐射——宇宙微波背景(cosmic microwave background)。这种大爆炸原始火球的遗迹,像一层帷幕包裹在空间各个方向,平滑得几乎完美无瑕。公平地讲,能成功解释这些现象,我们自视谦卑的态度实在功不可没——假设自己在宇宙中的位置越不重要,我们就越能够“全面”地探讨宇宙。

黑暗降临

既然如此,为什么我们不能安于现状?如果宇宙学原理真的如此成功,为什么还要去质疑它?问题就在于,天文观测有了一些非常奇怪的结果。过去十年来,天文学家发现,对于红移程度确定的遥远超新星来说,观测到的亮度总是暗于预期。超新星的红移标明了自它爆炸以来空间膨胀的幅度。测出遥远超新星发光的红移程度,宇宙学家就能推断,这颗超新星爆炸时宇宙的尺寸比今天小多少。超新星红移程度越高,它爆炸时宇宙的尺寸就越小,因此从那时起到现在,宇宙膨胀的幅度也就越大。

超新星的观测亮度给我们提供了一种方法,能够测量它到我们的距离,从而揭示这颗超新星爆炸距今有多久。如果一颗超新星的红移程度已经确定,而它的亮度看起来又低于预期,这颗超新星的距离就一定比天文学家认为的更远。它发的光需要更长的时间才能传到我们这里,这意味着宇宙从当时的大小膨胀到现在的大小,一定花了更久的时间。因此,宇宙过去的膨胀速度一定比科学家以前预期的更缓慢。事实上,遥远的超新星看上去非常暗,以至于宇宙必须加速膨胀才能赶上它目前的膨胀速度。

这种加速膨胀触发了一场宇宙学革命:宇宙中的物质本该吸引时空结构,使膨胀速度逐渐放缓,但超新星数据暗示,情况恰恰相反。如果宇宙学家接受宇宙学原理,并且假设加速膨胀出现在宇宙各处,我们就能得出这样一个结论:宇宙中必定充斥着一种能够产生排斥力的奇异能量——暗能量。

在物理学家用来描述基本粒子和作用力的标准模型中,没有任何东西与暗能量相符。这是一种尚未被直接观测到的物质,它的性质不同于我们以往看到的任何东西,能量密度也比我们能够作出的最简单设想低了120个数量级(根据量子场论推算出的真空能,能量密度是暗能量的10 120 倍)。对于暗能量可能是什么,物理学家有了一些想法,但至今仍然纯属推测。简而言之,对于暗能量,我们几乎可以说是一无所知。不论暗能量可能是什么,研究人员正在着手进行一系列雄心勃勃、耗资巨大的地面和空间探测任务,用来寻找暗能量并测定它的性质。对许多人来说,这是现代宇宙学面临的最艰巨挑战。

光明之路

面对如此不可思议、看起来不太可能存在的暗能量,一些研究人员开始重新思考“暗能量存在”的推导过程,质疑起当时的一个根本假设——我们在宇宙中所处的位置到底是不是很普通,我们观测到的现象能不能推广到宇宙各处?如果抛开宇宙学原理,暗能量存在的证据能不能通过其他方式来解释?

在传统宇宙学描述中,“宇宙膨胀”指的是宇宙作为一个整体发生的膨胀。就如同谈论一个正在充气的气球:我们说气球充到了多大,指的是整个气球的大小,而不会具体到气球上每一小块膨胀了多少。不过,我们都在聚会场合见到过一些奇形怪状的气球,它们的膨胀并不均匀。比如长条状气球充气时,侧边上的一圈会迅速膨胀,然后鼓起来的部分才会向长条的另一端延伸过去。在抛弃宇宙学原理的另一种宇宙学观点中,空间也能够不均匀膨胀。一幅复杂得多的宇宙图景就此浮出水面。

我们不妨看一看下面这种模型,这是南非开普敦大学(University of Cape Town)的乔治·埃利斯(George Ellis)、查尔斯·赫拉比(Charles Hellaby)和纳齐姆·穆斯塔法(Nazeem Mustapha)最先提出,后来被法国巴黎-默东天文台(Paris-Meudon Observatory)的玛丽-诺埃勒·塞莱里耶(Marie-Noelle Célérier)进一步发展的:首先,假设宇宙各处膨胀都在减速,因为物质总是在吸引时空,阻止它向外膨胀;然后,假设我们居住在一个超级庞大的宇宙巨洞(cosmic void)之中——巨洞内部并非空无一物,只不过平均物质密度仅为其他地方的一半甚至三分之一。一块空间区域越是空旷,内部包含的、能减缓空间膨胀的物质就越少;因此,巨洞内部的膨胀速度要比其他地方更快——正中央膨胀最为迅速,越靠近边缘膨胀越慢,因为巨洞外密度较高的区域在边缘附近已经开始发挥作用了。任何时刻,空间不同部分的膨胀速度都不相同,就像那些奇形怪状的气球充气时膨胀不均匀一样。

设想一些超新星在这个不均匀宇宙中的不同位置爆发,有些靠近巨洞中心,有些靠近巨洞边缘,还有一些位于巨洞之外。如果我们靠近巨洞中心,一颗超新星距离我们越远,它周围空间的膨胀速度就越慢。它发出的光在向我们传播的过程中,所经区域的膨胀速度会越来越快。光经过每一块区域,空间膨胀都会把光波拉长一点,这种效应累积起来产生了我们观测到的红移。光在这样一个宇宙中传播一定距离后产生的红移,要比在以相同速度(即我们周边的膨胀速度)整体膨胀的宇宙中产生的红移略低一些。反过来,光在这样一个宇宙中要达到一定的红移,它的传播距离就必须比膨胀速度一致的宇宙里光的传播距离更长——也就是说,这颗超新星必须离我们更远,因而看起来更暗。

换句话说,这个模型把膨胀速度的变化从时间上“转移”到了空间上。通过这种方式,宇宙学家不需要引入暗能量,就能解释“超新星亮度暗于预期”这一观测事实。为了让这套“另类”解释行得通,我们必须生活在一个真正达到宇宙尺度的巨洞之中。超新星观测的范围已经延伸到几十亿光年之外,占据了整个可观测宇宙中很大的一部分。要想解释这些观测数据,巨洞的大小就必须达到类似的尺度。无论以谁的标准来看,这都足够称得上“巨大”了。

牵强附会?

这样一个宇宙巨洞有多古怪呢?它似乎公然违背了宇宙微波背景(天文学家观测到微波背景在各方向上强度相差不超过1/100 000),更不用说星系在空间中看似均匀的分布了。然而,更仔细的审视表明,这些证据也许不足以确凿无疑地排除宇宙巨洞。

背景辐射强度上的均匀一致,要求宇宙在各个方向上看起来几乎一样。如果巨洞大致呈球形,我们离巨洞中心又足够近,这些观测事实就不存在任何问题。此外,微波背景确实存在一些异常特征,或许能够用大尺度的非均匀性来解释。

至于星系分布,现有的巡天观测还无法探测到足够遥远的星系,根本不足以排除尺寸大到能够“模拟”暗能量的超级宇宙巨洞的存在。这些巡天观测发现了大小约为数亿光年的“小型”巨洞、物质纤维及其他结构,但我们此前一直谈论的那个巨洞,尺寸还要再大一个数量级。星系巡天观测有没有证实宇宙学原理,这是天文学界目前正在激烈争论的一个问题。美国纽约大学的戴维·霍格(David Hogg)及其合作者所作的分析表明,宇宙中最大的结构大约为2亿光年;在更大的尺度上,物质的分布似乎均匀平滑,与宇宙学原理相符。但意大利罗马费米中心(Enrico Fermi Center)的弗朗切斯科·西洛斯·拉比尼(Francesco Sylos Labini)及其同事主张,迄今为止发现的最大结构,不过是发现这些结构的星系巡天项目在有限的探测范围内找到的“最大”结构而已。更大的结构或许超出了这些巡天的观测范围。

假设你有一张地图,显示了方圆10千米内的地形,一条公路从地图的一侧延伸到另外一侧。由此得出最长的公路只有10千米长的结论,显然是错误的。要确定最长公路的长度,你需要一张更大的、清楚标明所有公路起止地点的地图,这样你才能知道公路的完整规模。与此类似,天文学家要证明宇宙学原理,就必须进行大规模的星系巡天,探测范围必须超过宇宙中最大的结构才行。现有的巡天观测到底够不够大,这是一个尚在争论的问题。

对理论学家来说,超级巨洞也是一个难以“消化”的东西。现有的所有证据都暗示,星系和纤维、巨洞之类的大尺度结构都是从微观量子涨落中“孕育”而来的(宇宙膨胀把这些微观“种子”放大到了天文学尺度),宇宙学理论能够准确预言特定大小的结构在宇宙中出现的几率。尺寸越大的结构应该越罕见。大到足以“模拟”暗能量的超级宇宙巨洞出现的几率不超过1/10 100。超级巨洞或许真的存在,但在我们能够观测的宇宙中找到一个的可能性,似乎微乎其微。

不过,上述推理可能存在一个漏洞。20世纪90年代初,“早期宇宙标准模型”的提出者之一、美国斯坦福大学的安德烈·林德(Andrei Linde)及其同事证明,尽管超级巨洞很罕见,但它们在宇宙早期的膨胀速度更快,最终占据了大多数宇宙空间。观测者发现自己位于一个超级巨洞内部的可能性,或许根本没那么低。这个结论表明,宇宙学原理(即我们并不居住在一个特殊的位置)和平凡原理(principle of mediocrity,即我们只是普普通通的观测者)之间,并不总能画上等号。看起来,人类在平凡普通的同时,也可以居住在一个特殊的位置。

检测巨洞

什么样的观测能够判断,是宇宙在暗能量的驱动下加速膨胀,还是我们居住在超级巨洞中心之类的特殊位置?为了检验巨洞是否存在,宇宙学家需要建立一个有效的模型,用来描述空间、时间和物质如何对周边环境作出响应。1933年,阿贝·乔治·勒梅特(Abbé Georges Lema tre)提出的一个宇宙模型恰好符合要求;一年后,理查德·托尔曼 (Richard Tolman)也独立提出了同样的模型,第二次世界大战之后由赫尔曼·邦迪(Hermann Bondi)进一步发展完善。在他们设想的那个宇宙中,膨胀速度不仅取决于时间,还取决于到某个特定位置的距离,这和我们现在的假设如出一辙。

有了勒梅特―托尔曼―邦迪宇宙模型,宇宙学家就可以预测一系列能够观测的物理量。先来看看让天文学家一开始推导出暗能量存在的超新星。天文学家观测到的超新星越多,重构的宇宙膨胀历史就越准确。严格地说,这些观测不可能排除巨洞模型,因为不论观测到什么样的超新星数据,宇宙学家都能用一个形状合适的巨洞来解释它。不过,想要做到与暗能量完全没有任何区别,这个巨洞就必须拥有一些非常奇怪的性质。

原因就在于,假想的暗能量所驱动的加速膨胀会一直持续到今天。如果用一个巨洞来精确“模拟”这一点,膨胀速度就必须随着距离我们越来越远而急剧下降,而且在任何方向上都必须如此。这样一来,物质和能量密度就必须在任何方向上,随着距离我们越来越远而急剧增加。宇宙中物质的密度分布,看起来就必定像一个尖头朝下的巫婆帽,帽尖指向我们居住的地方。然而,迄今观测到的所有宇宙结构,似乎都与之完全相反:它们的密度分布大都是平滑的,不会平白无故出现一个“帽尖”。更糟糕的是,当年同在美国康奈尔大学的阿里·范德维尔德(Ali Vanderveld)和埃纳·弗拉纳根(Eanna Flanagan)曾经证明,指向我们居住地点的“帽尖”还必须是一个奇点才行,就像黑洞中间那个超致密区域一样。

不过,如果这个巨洞更为真实,拥有平滑的密度分布,它就会留下足以辨认身份的观测“指纹”。平滑的空洞仍然能够产生一些观测现象,可能被误认为是加速膨胀,但没有“帽尖”的空洞将无法再现与暗能量完全相同的结果。确切地说,表面上看到的膨胀“加速度”随红移变化而发生的改变,将会泄露天机。我们在一篇与凯特·兰德(Kate Land,当时在英国牛津大学)合作撰写的论文中证明:在现有的几百颗超新星观测数据的基础上,再多观测几百颗超新星,就应该足以判定巨洞和暗能量谁对谁错了。超新星观测项目处在一个非常有利的位置,很快就能够实现这一目标。

超新星并不是唯一的观测判据。1995年,美国普林斯顿大学的杰里米·古德曼(Jeremy Goodman)提出了另一种可能的检验方法——观察微波背景辐射。当时暗能量的最佳证据尚未出炉,古德曼提出这种方法的目的,不是为了给任何无法解释的现象寻求解释,而是为哥白尼原理本身寻找证据。他的想法,是把遥远的星系团当成镜子,从不同位置来观察宇宙,就像在天体试衣间里照不同的镜子一样。微波辐射遇到星系团时,一小部分会被星系团反射。仔细测量这些辐射的光谱,宇宙学家就能推断,从其中某个星系团观察宇宙时,宇宙看起来是什么样子。如果变换位置会改变宇宙表现出来的模样,这将为巨洞或类似结构提供强有力的证据。

两个宇宙学家小组已经将这一设想付诸实施。美国达特茅斯学院(Dartmouth College)的罗伯特·考德威尔(Robert Caldwell)和伊利诺伊州巴达维亚市费米国家加速器实验室的艾伯特·斯特宾斯(Albert Stebbins),研究了微波背景中畸变的精确测量数据;西班牙马德里大学的胡安·加西亚-贝利多 (Juan García-Bellido)和丹麦奥胡斯大学(University of Aarhus)的特勒尔斯·豪格博勒(Troels Haugbolle)则直接观测单个星系团。这两个小组都没有检测到巨洞的存在,他们最多只能对这样一个巨洞可能具备什么样的性质加以限制。预定于2009年5月发射升空的普朗克卫星(Planck Surveyor),将给这个巨洞的性质做出更加严格的限制,甚至可能彻底排除巨洞的存在。

南非开普敦大学的布鲁斯·巴西特(Bruce Bassett)、克里斯·克拉克森(Chris Clarkson)和吕慧卿(Teresa Lu)提出了第三种方法——独立测量不同位置的膨胀速度。天文学家通常用红移来衡量膨胀速度,但红移是某一天体到我们之间所有空间区域膨胀效应的累积。由于所有这些区域都叠加在一起,红移无法区分膨胀速度是随空间变化还是随时间变化。最好能够筛除其他位置的膨胀效应,只测量某一特定空间位置的膨胀速度。但这项任务十分困难,目前尚未完成。观察不同位置上宇宙结构的形成过程,或许是一种可行的办法。星系和星系团的形成与演化,在很大程度上取决于当地的空间膨胀速度。研究不同位置上的这些天体,排除影响它们演化的其他效应,天文学家或许能够分辨出膨胀速度上的细微差异。

其他可能

我们居住在一个超级宇宙巨洞的内部,这似乎跟“宇宙学原理”势同水火,不过也可能存在一些折中的情况。宇宙在大尺度上可以遵循宇宙学原理,但星系巡天观测已经发现的、规模较小的巨洞和物质纤维,也可能共同作用模拟出了暗能量效应。加拿大麦吉尔大学的蒂尔撒伯·比斯瓦斯(Tirthabir Biswas)和阿莱西奥·诺塔里(Alessio Notari),还有当时在意大利帕多瓦大学的瓦莱里奥·马拉(Valerio Marra)以及他在美国芝加哥大学的合作者,对这个想法进行了研究。在他们的模型中,宇宙看起来就像瑞士奶酪——整体上均匀一致,但内部布满孔洞。因此,不同地点的膨胀速度就会略有不同。遥远的超新星发出的光在抵达我们这里之前,会穿过许多较小的巨洞,膨胀速度上的变化会扭曲它们的亮度和红移。不过目前看来,这个想法似乎前途不妙。本文作者之一克利夫顿和英国牛津大学的约瑟夫·尊茨(Joseph Zuntz)合作证明,再现暗能量效应需要存在大量物质密度极低的巨洞,而且它们的分布也必须遵循某种特殊的方式。

另一种可能性是,暗能量是宇宙学家惯用的数学近似方法产生的假象。为了计算宇宙膨胀速度,我们通常会统计一块空间区域中所含物质的总量,再除以空间体积,得到平均能量密度。然后,我们将平均密度代入爱因斯坦引力方程,确定宇宙膨胀的平均速度。虽然密度会随地点变化,但我们会把它视为整体平均值上的微小波动。

问题在于,把平均物质分布代入爱因斯坦方程求解,跟代入真实物质分布求解方程再对结果求几何平均,完全是两码事。换句话说,我们是先平均再解方程,但实际上我们应该先解方程再平均。

把真正的宇宙、哪怕是任何大致近似于真实宇宙的东西代入整套方程求解,难度都是人们无法想象的,因此大多数科学家都求助于先平均再求解这种比较简单的方法。为了确定这种近似方法到底有多准确,法国里昂大学的托马斯·比谢尔(Thomas Buchert)进行了一项研究。他在宇宙学方程中引入了一组额外项,用来表示先平均再求解所产生的误差。如果能够证明这些项很小,那么近似方法就很不错;如果这些项很大,近似方法就很差。目前,这项研究还没有得出确切结果。一些研究人员提出,这些额外项或许足以解释暗能量,另一些研究人员则声称,这些项可以被忽略。

能够区分暗能量和巨洞模型的观测检验,不久就将展开。法国巴黎大学皮埃尔·阿斯捷(Pierre Astier)领导的超新星信息巡天(Supernova Legacy Survey)和目前正在设计的联合暗能量任务(Joint Dark Energy Mission),将精确测定宇宙的膨胀历史。普朗克卫星和各类地面及气球运载的设备将更加精细地测绘宇宙微波背景。预计于2020年建成的超巨型射电望远镜——平方千米天线阵(Square Kilometer Array),将帮我们普查可观测宇宙内的所有星系。

这场宇宙学革命,还远远没有结束。

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