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宇宙“暗”主宰?

 
   来源: (1) 科技日报2004/02/12 记者 向杰   
(2) http://www.lamost.org/~yzhao/astro/dmde.html    部分图片、解说由本站附加


明确宇宙能量分布,找到暗物质和暗能量存在的新证据,是2003年所取得的最重大的科学突破。 2003年年末,美国《科学》杂志评出年度十大科学成就时,暗物质和暗能量研究方面的进展名列榜首。

近日,记者就暗物质和暗能量研究进展采访了有关专家学者。 中国科学院院士、理论物理学家何祚庥闻讯后就此发表看法。他认为,众多科学家多年来孜孜以求的暗物质、暗能量被证实存在,并且在宇宙中占有很大比重,这一方面将推动物理学定律研究自宏观到微观之后进入宇观,另一方面,必将推动物理学发展酝酿形成第五次大突破。

早在本世纪初,美国国家研究委员会就发布了题为《建立夸克与宇宙的联系:新世纪11大科学问题》的研究报告,这份报告由19位权威物理学家和天文学家联合执笔,列出了在新世纪需要解答的11个与宇宙有关的难题。报告认为,暗物质和暗能量应该是未来几十年天文学研究的重中之重。“什么是暗物质”和“暗能量的性质是什么”,在11个大问题中分列为第1位和第2位。 暗物质和暗能量的重要程度由此可见一斑。

暗物质:看不见但有引力

得知记者对暗物质及暗能量的好奇心之后,中国科学院国家天文台研究员赵永恒特意在一个星期天的下午向记者进行了科普。

他说,普通物质是那些在一般情况下能用眼睛或借助工具看得着的东西,近如身边的一草一木,远如夜空的繁星点点,都是人们所熟知的,在日常生活中接触最多的普通物质。而在65年前,科学家通过天文观测和理论研究发现,其实在宇宙中,除了普通物质之外还存在着神秘的不可视的暗物质。普通物质总是能与光发生相互作用,抑或在一定的条件下自身就能发光。也就是说,即使普通物质藏身于最黑暗的角落,只要人们拿上手电筒照上一照,总能发现它们。但暗物质恰恰相反,它根本不与光发生作用,更不会发光。因为不发光、与光不发生作用,所以在天文上用光的手段绝对看不到暗物质,不管是电磁波、无线电,还是红外射线、伽马射线、X射线,统统这些光的方法都毫无用处。但是暗物质能感觉到,不是靠光,而是靠引力。

现在人们对暗物质的认识是,它起到的唯一的作用就是引力作用。万物之间存在万有引力,暗物质就是通过物质的这一特性才被发现的。赵永恒说,太阳系有九大行星围绕太阳旋转,越往外其转动的速度越低,比如地球绕日速度是每秒30公里,高于火星,而火星的速度又高于位于它之外的木星,这是典型的中间有一颗大恒星的行星系表现。但科学家在观测宇宙其他一些星系(包括银河系)中的恒星运行速度时,发现越往外,围绕中心的速度并不都是衰减下去,而是和内圈恒星的速度差不多。这与越往外,物质越少,引力也越小,速度也应该越低的常规不符。由此可以反推,此时虽然外圈的那些能被直接观测到、数出来的星星数目变少了,但其实内部的物质数量并没有减少,引力也没有变小,只不过观测不到而已,因此这些物质被称为“暗物质”。

那暗物质的物理组成到底是什么?这一问题是目前研究的热点之一。科学家们早先推测它可能由一种不带电的、质量很轻的、数目繁多的中微子构成,中微子的运动速度很快,可称之热暗物质;相对的,候选者还有可能是种质量大的、运动慢、引力大的冷暗物质粒子。天文学家后来在实际的观测和计算当中发现,答案更倾向于后者。冷暗物质粒子很可能是宇宙早期遗留下来的稳定、弱作用的重粒子(WIMP)。




中国科学院暗物质粒子探测卫星“悟空”已经于2015年12月17日8时12分,在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功”发射升空。


暗能量:闪过爱因斯坦的腰

暗物质看不见但它还有引力作用,暗能量相比较而言就更加邪乎了,它不仅看不见,连引力作用也没有,所以不好以物质命名。目前世界上的天文学家认为,暗能量在宇宙中起斥力作用,但又不能严格说其是一种斥力,只能称其为能量。宇宙大爆炸时发生膨胀,产生的能量把物质往外排斥,暗能量斥力作用的发现,使学者们认识到,宇宙不光是在膨胀,而且还是在加速膨胀。

赵永恒说,暗能量在宇宙中更像是一种背景,它就像是空气对于我们,或者是大海对于鱼儿一样,根本让人感觉不到它的存在,但它确确实实的存在着,且起着非同一般的作用。所以又有人把暗能量称之为“真空能”,在物理上它表现得更像一个真空。上世纪20、30年代,就有科学家认为真空不空,只是物理的探测仪器探测不到“真空”中存在着什么,并非真的什么都没有。

暗能量的存在到1998年才被天文学家初步证实。但对它理论上的猜测可追溯到爱因斯坦生活的年代,爱因斯坦在1915年提出了广义相对论,世界上的物理学家、数学家随即开始解其中的引力方程,方程解出之后,人们结论是宇宙不会完全静止,宇宙没有静止点。方程的第一种解是,如果宇宙只存在引力,没有别的力作用的话,出于相互吸引,宇宙不可能静止;另一种解是,宇宙爆炸的那一瞬间获得了一个初速度,向外膨胀,但由于引力作用往回拉,宇宙肯定越胀越慢,所以宇宙不是膨胀就是收缩,不可能静止。爱因斯坦得知结果之后,他从哲学思想上觉得这两种解都不合适,按他的想法宇宙应该是静止的,不能永不停息的运动。因此,爱因斯坦又往广义相对论引力方程中引入了一个项,叫“宇宙常数”。这个宇宙常数起的就是排斥力的作用,有了该常数之后,引力方程同时具备了引力和斥力,正好能够达到平衡,可让宇宙“静止”下来。


暗能量引起宇宙加速膨胀——暗能量是一种还无法解释的排斥引力的力,它使星系加速相互远离。 Diagram representing the accelerated expansion of the universe due to dark energy. Dark energy is the name given to an unexplained force that is drawing galaxies away from each other, against the pull of gravity, at an accelerated pace. (downloaded from wikipedia.org, Credit: NASA )



位于星系NGC 4526里的Ia型超新星 SN1994D(左下方的亮点)。哈勃空间望远镜拍摄。对一系列Ia型超新星的测距表明宇宙在加速膨胀,证明暗能量的存在。这一工作获得2011年度的诺贝尔物理学奖。 (downloaded from wikipedia.org, Credit: NASA )


没过多久,上世纪的20年代,美国著名天文学家哈勃(著名的“哈勃空间望远镜”以他命名)经过观测发现宇宙确实是在不断膨胀,他根据星系的距离和运行速度证实,离我们越远的星系向外运动的速度越快。自然,这是宇宙正在膨胀的表现。这一观测结果完全与引入“宇宙常数”之前的引力方程的计算结果相契合,迅速得到了世界上绝大多数科学家的认可。

爱因斯坦非常后悔,他本来是想把宇宙“静止”下来,但实际的宇宙是在膨胀着。他因此承认:“引入宇宙常数是我这一生所犯的最大错误!”此后数十年间,“宇宙常数”无足轻重。

尽管如此,由于爱因斯坦是大科学家,又提出了广义相对论,他提出的“宇宙常数”并未彻底被科学家们遗弃,一小部分科学家此后在将观测结果与理论进行对比的时候,常常会把此常数捎带上。如果计算结果显示“宇宙常数”等于0,就证明该数确实不能用;反之,就证明爱因斯坦引入一个常数的思路对的,只不过是这个常数起的作用不是爱因斯坦的初衷,而是别的什么。

1998年,两个国际组织的天文学家们,在南极用气球搭载无线电波探测仪器探测宇宙微波背景,也就是宇宙大爆炸之后的残留,他们并没有探测全天的,只是探测了一小块,但即使如此,探测完之后,他们马上得出结论:“宇宙常数”不等于0!不仅不等于0,而且在整个宇宙中所占比例还很大。此后,“宇宙常数”正式被称为“暗能量”。近年来,科学家们一再通过各种的观测和计算证实,暗能量在宇宙中占主导地位,约达到73%,暗物质占近23%,普通物质仅约占4%。睿智如爱因斯坦者也许不会想到,当初他认为是错误的,让他极为懊悔的“宇宙常数”竟然是极有道理的,几乎可称得上是宇宙的本质,这不能不说是科学与科学家开的一个超级玩笑。

而对于整个人类的认知来讲,这是个十足的悖论:宇宙中所占比例最多的反而是最迟也是最难为我们所知晓的,我们至今仅知道它们存在着,但性质如何,我们一无所知。

暗物质和暗能量:一朵乌云

谈及暗物质和暗能量被证实的意义,赵永恒说,人类对宇宙奥秘探索的好奇心似乎与生俱来。以前我们知道有暗物质,在对它还未有多少了解的时候,我们又发现了暗能量的切实存在。这说明,一方面人类现在对宇宙奥秘的了解越来越多,另一方面我们所要面对的未知也越来越多。而这日益深远的未知又反过来不断刺激着人类去探索宇宙背后的真相。

从哲学角度讲,暗物质、暗能量存在的相继被证实对人们的观念是一次极大的冲击和突破。当年哥白尼仅仅将宇宙的中心从地球搬到太阳,就引起了全世界的轩然大波,人们不得不重新审视自身在宇宙中所扮演的角色。之后,天文学上的发现不断地突破人们的刚刚建构的关于宇宙中心知识体系,地球不是中心,太阳也并非就是,银河系也不是,随着爱因斯坦的广义相对论一出,人们恍然大悟:宇宙根本没有中心。

暗物质和暗能量的存在同样是以前人类无法想象的事情,但它们真的就在这浩淼的宇宙中。那些闪烁的天体相对来说,是我们最熟悉的,每个孩子都曾仰望过夜空,数过星星。我们一直以为满天繁星就已经够多了,宇宙中还有什么能比得上它们?但事实上,它们却是“弱势群体”,仅占宇宙总能量的4%,剩下的绝大部分都是我们知之甚少或干脆一无所知的,这怎不让人惊心动魄!

有人形容暗物质和暗能量是21世纪理论物理学的“一朵乌云”。而在19世纪末的时候,理论物理学也曾经飘过“两朵乌云”,到了20世纪初这其中的一朵变成了广义相对论,另一朵变成了量子力学,极大地促进了科学的发展。所以可以预期,一旦暗物质和暗能量这朵乌云烟消云散,人类肯定会获益匪浅。

LAMOST:中国大型光谱巡天望远镜

此次暗物质和暗能量存在的新证据的发现,全赖于绕轨道运行的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)和在地面上的斯隆数字巡天项目(SDSS)的工作。那么,在我国有没有类似的科研设施进行天文尖端课题的研究呢?

赵永恒告诉记者,国家天文台正在实施一项名为“大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜”(简称LAMOST)的建设,它是一架横卧于南北方向的中星仪式反射施密特望远镜。上世纪90年代以来,国际上的类似项目一个是英澳天文台的2DF,它实现了3.9米的口径、2度视场;另一个就是SDSS,它实现了2.5米口径,3度视场。而LAMOST的口径是4米、视场为5度。望远镜通常是口径和视场负相关,口径大的视场小,视场大的口径小,目前世界上单比LAMOST口径大的望远镜有,单比视场大的也有,但是综合口径和视场,LAMOST的能力最强,这是它的优势所在。



中国科学院国家天文台兴隆观测站郭守敬望远镜(LAMOST),上图为焦面处的4000根光纤头。


LAMOST聚光能力大,收集的光线多,能看到更暗的天体,作巡天拍摄的时候,一次拍摄的面积更大。从光谱观测的角度看,2DF拥有400根光纤,SDSS是640根,LAMOST要做4000根光纤,势必成为世界上光谱获取率最高的望远镜,国际上现在已经认为即将建成的LAMOST堪称“光谱工厂”。从观测天体的规模上看,2DF作了10万个星系的观测;SDSS要做的是100万个星系,10万个类星体;LAMOST的目标是观测1000万个星系,100万个类星体,外加1000万颗恒星。

赵永恒还告诉记者,在LAMOST建成后,由于要比SDSS计划所观测的星系和类星体的数目多十倍,由此可以预计,LAMOST将会以更高精度的方式来确定宇宙的组成和结构,从而使人类对暗能量和暗物质有更加深刻的认识。


暗能量主宰宇宙命运:可以把宇宙撕碎
  ( 来源: http://tech.ifeng.com/discovery/astronomy/detail_2014_01/29/33468500_0.shtml
《自然与科技》杂志 作者:小月



因研究宇宙膨胀和暗能量而获2011年度诺贝尔物理学奖的几位科学家:布莱恩·施密特(左),亚当·里斯(中)和萨尔·玻尔马特(右)


神秘的暗能量出现在宇宙诞生破晓时分,它可以让宇宙稳定,也可以把宇宙撕碎。

天文学家布莱恩·施密特静静地回忆起那个使他获得2011年诺贝尔物理学奖的惊人发现。那是1977年的某个瞬间,没有欣喜,只有忧虑。

施密特是堪培拉的澳大利亚国立大学斯特罗姆勒山天文台的天体物理学家,在超新星领域有特殊贡献。超新星是演化到末期的恒星发生剧烈爆炸的产物,最亮的时候相当于50亿个太阳。这些明亮的天体是浩瀚星海中的灯塔,天文学家通过观测超新星能够测量宇宙的尺寸、形态和质量。

施密特的同行们分布在世界各地——欧洲、南美洲、美国等地区,他们的团队在一天里每个时间段都有值班的科研人员,以确保第一时间分析望远镜的数据。施密特在东半球需要工作一整天,随后发邮件给西半球加利福尼亚大学伯克利分校的同事亚当·里斯,由他进一步研究这些数据。

在一个繁忙的早晨,施密特收到了里斯传来的一张图表,涵盖超新星距离的最新估测——但这些数据和他的预期迥然不同。“我只需凭借双眼就能知道发生了什么。”施密特说:“当时我脑海中跳出一句话:噢,亚当!你做了什么?”

我们应该理解施密特的疑虑。他以为可以看见一条从左下方朝右上方倾斜的曲线。而实际上这条曲线是向右下方倾斜的,犹如一条受惊的狗尾巴。施密特因此愁眉不展,隐约感觉天文学家应该重新思考宇宙的运行方式。

当时,施密特认为他对宇宙的演化理论已经成竹在胸:宇宙始于一个极端微小而充满能量的奇点——也是大爆炸的点——从此不断向外扩张,膨胀的空间带着星系和超新星一起延伸和拓展。这些天体在引力的作用下相互拉扯,就像太阳束缚住地球一样。据施密特所知,这样的物理定律让疾驰的宇宙逐渐平静下来;宇宙仍然在膨胀,但引力使膨胀速度变小了。

然而,里斯所得出的结论却演绎出另一个故事。超新星同地球的距离比任何人预期的都更远,这表明宇宙比天文学家先前认为的更大,引力的拉扯力似乎被一种更强大的力量征服了。

最佳解释听上去好像很荒谬:宇宙在加速膨胀。斯密特对此结论的评价是“愚蠢”。谁都没有观测到能够让宇宙加速膨胀的力,因此,他认为这个发现一定是哪里出错了。

几个月后,这个令人不安的观念仍然存在。更重要的是,另一个由加州劳伦斯伯克利国家实验室的萨尔·波尔马特带领的独立团队也得出了相同的结论。施密特、里斯和波尔马特对超新星突破性的测量揭示了宇宙加速膨胀的事实,2011年,他们共同获得了诺贝尔物理学奖。

物理学家为推动宇宙加速的力量安上了一个异想天开式的名字——暗能量,它对抗引力的束缚,将宇宙空间向外推挤。如果暗能量是宇宙疾速膨胀的幕后推手,那么总有一天宇宙自身会在一场“大撕裂”中分崩离析。有关“反引力效应”的谜团正是现代物理学中的最大的困惑——暗能量来自哪里?它如何推动宇宙膨胀?它是否真的存在?对于这些问题,学界全都没有达成共识。

膨胀的证据

第一个暗示宇宙膨胀的证据可追溯到几乎一个世纪前。在这个证据出现之前,物理学家仍然死死握住200多年前艾萨克·牛顿提出的宇宙模型,其中,空间和时间都是永恒稳定的,并可用严格的尺规和时钟精确测量。根据牛顿的理论,引力是一种能够在虚无的空间中穿行的力,这种无形的力量将天体拉扯到了一起。


宇宙的历史。时间和空间从大爆炸开始,在经历初期的膨胀后,便进入了加速膨胀过程


爱因斯坦在1915年提出的另一个关于引力的理论——相对论,挑战了牛顿的宇宙模型。在爱因斯坦的理论框架中,三维的时空交织在一起创造了一个四维的大尺度网状结构,这成了引力的发源地。时空在大质量天体(如恒星)周围会发生扭曲;而更小的天体,比如行星,则嵌入时空,仿佛被一种力量推向更大的宇宙结构。

起初,爱因斯坦想象中的宇宙是球状且静止的,不会膨胀也不会收缩。令他吃惊的是,广义相对论导出的却是一个不稳定的宇宙:一个微小的变化就能打破辐射(如光)和物质之间的平衡,使宇宙向外膨胀或向内收缩。爱因斯坦为了坚持它的静止宇宙模型,便引入了一个稳定的参数,称为“宇宙常数”——它能抵消宇宙随引力收缩的趋势。宇宙常数只不过是一个为了使宇宙保持静止而捏造出来的参数。

但静止宇宙模型是错误的。

直到1930年,美国天文学家维斯托·梅尔文·斯里弗和埃德温·哈勃测量了遥远星系的运动,说服了所有人——包括爱因斯坦——不论如何,宇宙在膨胀。斯里弗和哈勃为人类开启了一扇崭新的宇宙之窗,迄今为止,天文学家仍旧通过这扇天窗观测宇宙的过去和现在。

斯里弗和哈勃的结论基于多普勒效应,就是使鸣笛的汽车在接近和远离我们时音调发生变化的效应。声音和光都由波组成,你听见的声音和你看见的颜色取决于它们的波长,即两个连续波峰之间的距离。

19世纪的奥地利物理学家克里斯琴·多普勒发现,当你所观测的波源相对于你处于运动状态,它的波长就会发生变化。离你远去的波源发出的波会延长到达你处的时间,因而降低声波的音高,或将光的颜色向更长波长的光谱移动,即红移;向你靠近的波源发出的波则会被挤压,因而提升声波的音高,或使光发生蓝移。

1912年,斯里弗发现所有他能观测到的星系的光都比预期的更“红”,表明光波被拉伸了。红移意味着这些星系都朝远离地球的方向移动,而红移的大小则揭示它们的退行速度。

我们很难测量出星系的距离,施密特补充道,“因为你不可能放把尺子在星系和地球之间。”哈勃的推算基于每个星系中拥有相同光度的明亮恒星,它们就像相同瓦数的灯泡一般,越暗淡,距离越远。

这是一个非常粗糙的假设,因为不是所有恒星都具有相同的亮度,但这个假设基本成立。哈勃发现遥远星系发出的光越“红”,星系退行的速度就越快。1929年,他将宇宙膨胀的证据公之于众。

“用气球做比喻更容易理解,气球上事先画好的点就相当于宇宙中的星系。”施密特解释:“把气球吹起来,气球上的点开始相互远离——它们离得越远,相互退行的速度就越快。”哈勃的发现同这样的宇宙模型相契合:宇宙诞生初期非常紧凑,如今就好比一个不断膨胀的气球。

宇宙中的烛光

作为世界上最古老的科学研究院——伦敦皇家协会的成员,施密特看上去非常年轻,几乎可以用“无邪”来形容。他的头发是金色的,眼睛是蓝色的,脸颊非常饱满。这和多数科学家在经历岁月洗礼、建立学术威望的职业尽头才获诺贝尔奖形成了鲜明对比。施密特只有46岁,里斯则更加年轻,波尔马特年龄稍微大些。

施密特在高中阶段开始着迷于夜空,那时他随父母搬往美国阿拉斯加定居。用他自己的话说,那里“夏季天空从来不会变得黑暗,冬季则比地狱还寒冷”,因此是一个适合天文观测的地方。当电离粒子撞击地球大气,阿拉斯加上空还会出现绚烂的北极光,这是高纬地区特有的景象。

施密特的想象力从那时开始爆发,他把观星和另一个爱好——电脑——结合起来。1981年,一位生物学家买来了第一台IBM的个人计算机,14岁的施密特把两年的时间花在电脑上,计算出日食发生的日期。

几年之后,施密特成为了图森市亚利桑那大学的学生,他在计算机编程方面的特长也派上了更大的用场。他用自己编写的软件筛选望远镜观测到的亮点来辨认超新星——那些比普通恒星更明亮、发光时间通常只有几星期的亮点。

当时,天文学家仍然想要找到宇宙减速膨胀的证据,而施密特寻找超新星的研究计划则是关键。由于哈勃关于每颗恒星都具有相同的亮度的猜测并不完全正确,天文学家建立宇宙膨胀模型就需要更多可靠的宇宙之烛——那些不论离地球多远都能够以相同亮度燃烧的天体。

科学家把目光投向一类由死亡恒星演变而成的超新星——它们的质量和我们的太阳大致相同。在它们整个生命阶段,它们依靠燃烧氢和氦来取得能量,以抵抗自身引力而不向内坍缩。这些燃料一旦消耗殆尽,残余物质就会向中央区域坍缩,恒星最终变成了白矮星。

白矮星这种大质量天体非常致密,一茶匙物质就有好几吨重,它们强大的引力能吸食邻近恒星外围的物质,占为己有。当白矮星的质量达到了临界值,即1.38倍太阳质量,它就会像一个巨大的热核炸弹一样发生剧烈爆炸。

这类超新星被称为1a型超新星,它们达到质量临界值时就会被引爆,爆炸的亮度非常相似,是天文学家观测宇宙的指路明灯。只需测量这类超新星爆发时的亮度,就能估算它们和地球相距多远。我们知道,光波在膨胀的空间中会被拉伸,所以天文学家根据红移便能直接丈量宇宙的膨胀。

1989年,施密特在哈佛大学攻读博士期间,便根据超新星的距离计算出了宇宙膨胀的即时速度。在此期间,里斯是低他三个年级的师弟,由同一导师罗伯特·科什纳指导。

里斯同样是在小时候就深深爱上了科学。他渴望亲自做充满危险的实验,这令他父母非常担心。六岁时,里斯把蚯蚓切成两段,并观察它们是否还能继续爬动(蚯蚓真的没有停止扭动)。不久之后,里斯又对电产生了好奇,他在两个家用插座接口之间插了一条金属片。“我把家里的电路弄坏了,不过我从中学到了什么是短路。”里斯大笑道。

利用1a型超新星探测宇宙膨胀的想法在施密特和里斯相遇后愈发强烈,他俩也因此迅速同波尔马特成为竞争对手。波尔马特当时已经确认了7颗1a型超新星,它们的距离都比先前科学家看到的远10倍。由于遥远天体的光到达地球需要时间,你的目光越深入苍穹,展现在你眼前的宇宙历史就越丰富。

为这些遥远的超新星精确定位,有助于揭示宇宙在过去膨胀得有多快。波尔马特说:“如果宇宙曾快速膨胀,遥远超新星的红移就会比邻近的超新星更显著。另一方面,如果宇宙在以较慢的速率膨胀,遥远超新星的红移则不会那么明显。”通过比较遥远和邻近的“恒星尸体”的红移,还可能测得宇宙膨胀的速率是否曾发生改变。“这是一种很直接的测量方法,而其他人居然都没用过,当时我就震惊了。”波尔马特回忆道。

刀口上的宇宙

波尔马特强烈渴望找寻宇宙最终命运的真相。几十年前,宇宙学家凝视着爱因斯坦的方程式,推导出宇宙命运的三种可能性——这取决于宇宙中星系、恒星的数量。如果宇宙中物质的密度足够大,宇宙就不仅仅会减慢膨胀速度,而且会在引力作用下收缩成一个极小的点——这就是“大坍缩”。

而如果宇宙所包含的物质数量在临界值之下,则膨胀虽然会减少,但永远不会停止;如果膨胀非常剧烈,或加速膨胀,宇宙则会终结于“大撕裂”。第三种可能的情况是物质正好处于临界值(这个值好比一个尖尖的刀口),宇宙将永久保持稳定状态。

正是这些深奥的哲学问题引领波尔马特踏入了天文学的门槛。“在我小时候,我总想读懂宇宙。”他说,“宇宙会在时间和空间中永远存在下去吗?它会有终点吗?这可能是每个小学生都会问的问题。”他说,根据宇宙膨胀的历史,我们能从实验中推测未来,因此,这个问题是可能获得答案的。

首位尝试解决这个问题的宇宙学家,是麻省理工学院的阿兰·古斯和当时在莫斯科列别捷夫物理研究所工作的安德烈·林德。他们各自独立得出相同的推论:宇宙恰好在刀口——临界密度处于平衡。

宇宙学家发现无论把望远镜对准哪里,无论看得多远,宇宙看上去总是相似的——这是他们尤为关注的,也是一直在努力解释的疑惑。这个谜团是在天文学家测量宇宙微波背景辐射(宇宙大爆炸后残留的辐射)之后跃入眼帘的。在整个天空中,微波背景辐射的温度仅存在非常微小的差异。

两个方向相反的点限制了我们能观测到的范围——北面140亿光年的地方和南面140亿光年的地方。在这两端之间,微波背景辐射温度仅相差万分之一。问题来了,相隔280亿光年远的两个区域何以拥有相同的温度?

古斯和林德的答案很优雅:我们的宇宙曾经历一段暴涨时期,即在宇宙大爆炸后的10-30秒,处于婴儿阶段的宇宙扩张速度超越了光速。如果真是这样,这两个端点在暴涨之前一定挨得很近,有足够的时间在热传递中保持一致的温度。接着,暴涨撕裂了所有温度大致相同的点,把它们掷向相反的两端——这就解释了为什么宇宙在每个方向都如此相似。

重要的是,数学推导表明宇宙中被“熨平”的温度同样会导致宇宙处于临界密度,即微妙地保持在继续膨胀和向内坍缩之间的平衡状态。但至今为止,天文学家所发现的物质仅占临界密度的30%,这意味着还有70%的宇宙在和我们躲猫猫。

里斯很想找到这个问题的答案。

寻找暗能量

对天文学家来说,未能在可见的宇宙中观测到那70%的物质似乎是个巨大的疏漏。天文学家明白,望远镜不可能捕捉到潜伏在宇宙中的一切。当他们发现大量星系外围物质的旋转速度都快得不可想象时,才意识到宇宙中多数物质都是不可见的。

星系外围的恒星似乎被更强大的引力拖拽着,而这个更强大的力,比根据可见的恒星数量计算出来的引力还要大。最可信的解释是星系中也包含着我们无法用传统方式观测到的“暗物质”,它们对外围恒星也施加了引力。

里斯想知道宇宙中是否存在足够多的暗物质来填补那70%的不可见的质量。他认为这可根据宇宙膨胀速度减缓的幅度来证明。如果宇宙膨胀速度显著变慢,则可认为宇宙中存在着未观测到的引力,它阻碍了宇宙扩张,而大量的暗物质便是罪魁祸首。暗物质的多少是支配宇宙继续膨胀或反向坍缩的原因。

两组科学家通过长期的超新星观测和数据分析,竞相测量宇宙膨胀的速度。在1977年初,波尔马特找到了从未预料到的第一个证据。他通过观测超新星的亮度,发现在红移给定的条件下,这些超新星比人们预测的更遥远。如果这是事实,则能推导出一个令人震惊的结论:宇宙并不像过去认为的那样在减速膨胀,而是膨胀得越来越快。波尔马特在发布这个结论之前需要不断检验它的正确性。

里斯则创造了一套测量宇宙密度的计算机程序,并得到了相同的怪异结论。结论并非指向一个由30%的物质组成的宇宙(即他所期望的永久膨胀情形所需要的条件),而是-30%——仿佛是对他的讥讽。这个数值与任何情况都不相符,也不具有物理意义。

一开始,里斯以为他的程序出了故障。最终他意识到这个情况是可以解释的——直到现在都没有被完全认定的解释:也许暗物质并不是支配宇宙命运的唯一“成员”。也许还有其他什么正潜伏在广袤的宇宙中。

就是这封邮件

又回到了本文开头提到的那张图。

这张图正是里斯得到结论后,通过邮件发送给澳大利亚的施密特的。里斯斩钉截铁地告诉施密特这张图中蕴含的信息:宇宙在膨胀,且膨胀速度随时间推移越来越快。里斯和施密特怀揣着这个怪诞的结论,仿佛在航行中触碰到了暗礁一样。他们不得不严格地验证这个结论。

对里斯来说,那段时间真是什么事情都凑到一块儿了。在那几周里,里斯正准备婚礼,而所有的婚礼筹备工作都是他的未婚妻做的,里斯则一直宅在自己的实验室里。“圣诞假期来临,可我仍旧苦逼地埋头实验室。”里斯笑道。

直到1998年1月初,施密特和里斯才肯定了这个结论,他们把结论告知了整个研究团队。里斯终于有了结婚和度蜜月的机会。

是时候向全世界公布这个结论了。同样是1月份,波尔马特的团队在美国天文协会的一次会议上宣布了宇宙加速膨胀的数据,施密特的同事立即意识到这些数据和他们的结论是一致的。宇宙扩张的速度比之前任何人所想象的都要快,而这种驱使宇宙膨胀的未知力量是当时任何物理理论都无法解释的。

物理学家为了描述驱使宇宙膨胀的力量,创造了“暗能量”这个术语。但实际上,这个“高大上”的词汇反而突出了物理学家在这方面的无力——这种力量到底是什么?它从哪里来?它又是如何让宇宙膨胀的?

2000年,毫米波河外星系和地球物理学气球巡天计划(BOOMERanG Experiment)和毫米波各向异性实验成像阵列(MAXIMA)对大爆炸以来宇宙微波背景辐射的观测已经超越了合理的怀疑。观测表明,这些“宇宙妊娠纹”是宇宙加速膨胀的有力证据。

过去十年的天文观测强化了物质(包括可见物质和暗物质)占宇宙30%的证据。里斯追踪到了70亿年前爆发的超新星,发现早期宇宙膨胀速度减缓是因为物质间的引力盖过了暗能量向外推挤的力量。

随着宇宙的膨胀,物质逐渐在空间中铺展开来,引力拖拽效应变弱了;在50亿年前,引力和暗能量相互平衡,使宇宙在一段时间内以一个稳定的速率膨胀,既不加速也不减速。在这之后,不断扩张的宇宙中不再产生新的物质,原本存在的物质被进一步“稀释”。如此一来,宇宙中物质的密度稳中有降,导致宇宙膨胀的速度加快了。

暗能量的起源

尽管暗能量的理论得到了发展,但物理学家对于暗能量起源的探寻仍然处于“黑暗时期”。在宇宙学家的一个模型中,暗能量是从在亚原子领域占支配地位的量子物理模糊定律中诞生的。量子力学看似离奇,因为在你观测某个粒子之前,粒子没有任何确定的属性;相反,同一个粒子可同时在不同位置存在。

这种与生俱来的善变性,意味着你永远无法确定某个粒子是否在那里,即使在所谓的真空中也存在着进进出出的粒子,它们转瞬即逝。这些“虚空”粒子如搅拌中的泡沫,为宇宙空间增添了能量,尽管迄今为止按照量子物理所推算出的暗能量比我们实际观测到的更多。

量子效应能创造暗能量吗?某种类似爱因斯坦宇宙常数的恒量是否能预测所有这样的现象?“正因为如此,宇宙学家开始努力寻找某种能够解释暗能量的常数,它和宇宙常数相似,但不是宇宙常数。”施密特说。

另一个模型是精质(quintessence)模型,描述的是早期宇宙中普遍存在一片隐匿的区域,之后在离我们较近的一段时间内驱动宇宙膨胀。精质模型和量子力学模型相互冲突,因为在精质模型中,暗能量的强度会因宇宙常数恒定不变而发生变化。

精质只是宇宙常数的一个可能的替代物。还有另一种说法——我们的宇宙位于一个巨大的黑洞内部,由超致密恒星在发生超新星爆发后留下的残骸形成。宇宙学家斯蒂芬·亚历山大的计算表明,中微子的亚原子微粒如果被引力挤压到一起,即可形成一个宇宙尺度的“超流体”,产生反引力效应,这正好符合暗能量的强度。

把中微子挤压成超流体,需要超致密天体内部产生的巨大压力,也就是说,在这个模型中,我们的宇宙必须包含在像黑洞这样的天体里。“这听上去很疯狂,但我认为这是起码应该具备的条件。”亚历山大说。

不断突破的视野

面对这些理论和诸多竞争对手,里斯陷入了困惑。“在过去二十年间,绝望无时无刻不缠绕着我们。这是可以理解的,毕竟摆在我们面前的是一个艰巨的任务。”波尔马特补充道:“过去12年间,平均每天都会出现大约1篇有关暗能量的论文。”

里斯不想做领跑者,只是打算以公正的心态搜寻证据。“我就好比一位棒球裁判,不偏不倚,发现犯规者立即鸣哨。”里斯说。

大量的实验除了为暗物质起源提供了许多解释,也回答了1994年将波尔马特、施密特和里斯深深吸引的谜团:宇宙最终会有什么样的命运?

如果暗能量以目前的形态持续下去,理论的某些版本则表明它会使宇宙经历大撕裂——恒星、行星及所有原子都分崩离析。如果暗能量减弱或朝反方向发展,它将不与引力对抗,而是同引力“结盟”,让宇宙在大坍缩中终结——我们所在的宇宙将收缩成一个无限小的点——仿佛又回到最初的状态。现在看来,后一种情况发生的可能性似乎比较小。

旨在研究暗能量的欧洲空间局(ESA)“欧几里得”任务,可能在未来给出更多答案。执行该任务的太空望远镜将于2020年发射并绕行地球。从现在开始的8~10年内,“欧几里得”任务即将开始为科学家提供数据,但波尔马特认为这些数据或许并不能为我们所期望的答案提供支持。他说:“如果经验可以告诉你一切,那这些经验也会带来完全超乎你想象的东西。”

施密特指出,自17世纪牛顿提出引力理论之后,我们经历了漫长的等待,终于,爱因斯坦的广义相对论诞生了。“为了解释宇宙常数存在的原因,我们需要另一个爱因斯坦——而我们只是不知道这样的真知灼见何时才会出现。”他说,“也许明天,也许还要再等150年。”

 

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文一: 首席科学家详解:卫星"悟空"如何寻找暗物质?
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( 《光明日报》2015年06月26日 10版)


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