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魅影威胁下的宇宙暗能量
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Gilead Amit 文 Shea 编译 |
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暗能量一定比我们所想象的还要更加另类，它对宇宙的命运会产生重大且深远的影响。 一个世纪前，宇宙是一个平静而稳定的地方——至少在宇宙学家们的脑海中是这样的。即便是在全世界正饱受第一次世界大战的蹂躏之时，爱因斯坦仍在奋力实现他对一个完美平衡宇宙的愿景。在1917年2月提交给普鲁士科学院的一篇论文中，他为刚刚出炉的广义相对论场方程添加了一个新的元素，意在保证宇宙能够永恒不变。 今天的欧洲硝烟早已散去，但宇宙却一片喧嚣。我们早已抛弃了爱因斯坦的静止、不变的宇宙观，主张一个不仅在不断膨胀而且在不断加速膨胀的宇宙。驱动这一加速膨胀的神秘力量被称为暗能量。除了知道暗能量占据了宇宙质能的三分之二之外，人类目前对于它究竟是什么仍没有头绪。 但实际情况似乎在变得越来越糟糕。对宇宙加速膨胀的最新测量表明，我们曾经对暗能量的认识是有误的。有一个新的魅影可能正在悄悄地接近宇宙，这让宇宙学家们不寒而栗。它不仅会使得宇宙膨胀得越来越快，直至被撕裂，同时也意味着生命在一开始就不应该出现在这个宇宙中。上面的说法并非比喻修辞，它会产生诡异的后果。 1915年，当爱因斯坦在对他的理论广义相对论收官时，他陷入了一个两难的境地。他的方程优雅地描述了一个由引力所主宰的宇宙是如何运转的，但有一件事情除外：它们无法像曾经所假定的那样让宇宙保持静止，宇宙要么会疯狂地膨胀，要么自身会发生坍缩。他的解决之道堪称经典，时至今日依然让人回味：他在其方程中加入了新的一项，被称为“宇宙学常数”，用以提供额外的能量来使得宇宙保持稳定。 爱因斯坦从一开始就不喜欢他自己所引入的宇宙学常数，此后不久天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）和米尔顿·赫马森（Milton Humason）给了他一个否决它的理由。20世纪20年代，这两位天文学家们发现，遥远的星系正在远离我们，因此宇宙正在不断膨胀。据说，爱因斯坦称引入这个常数是他最大的错误。  变化的常数 在今天，否定宇宙学常数则是一个更大的错误。20世纪90年代末，宇宙学常数涅磐重生，当时两组天文学家利用遥远的超新星爆炸证明宇宙的膨胀在加速。这无可辩驳地表明，宇宙中存在起斥力作用的暗能量，它足以压倒宇宙中所有物质所产生的引力。有各种各样的理论可以来解释这个“闯入者”，但奇怪的是最简单的办法却是复活宇宙学常数。虽然最初的目的是保证宇宙的稳定性，但只要被赋予合适的值，它就可以产生暗能量的效果。最新的天文观测表明，无论宇宙学常数所描述的是什么，它占据了宇宙的68％。 那它会是什么呢？大多数物理学家所青睐的解释是它代表了空间的能量密度，这是基本量子效应的一种体现，即便是在星系和恒星系统之间的真空也会具有能量。但根据目前最好的估计，这一量子涨落的强度比解释测得的宇宙加速膨胀所需要的高出了10的120次方倍。换句话说，宇宙学常数存在极其严重的问题。在理论上，物理学家们无法对此做出任何的解释。 即便如此，暗能量和宇宙学常数现在已被确立为宇宙学标准模型的支柱之一，被称为“宇宙学常数-冷暗物质”模型，其英语首字母缩写为ΛCDM。希腊字母Λ表示宇宙常数；CDM则为冷暗物质，是束缚住星系团所必需的神秘且不可见的物质形式。 在过去几十年中，ΛCDM模型已经证明了其自身无比强大的威力，能够解释不断演化宇宙的方方面面。但在过去的几年里，它开始出现了一些问题，甚至可能会导致此前建立的整座丰碑崩塌。 这些问题就在于今天所观测到的宇宙与由ΛCDM模型根据早期宇宙的状况所做出的预言不符。其中最明显的就是哈勃常数，它描述了宇宙目前的膨胀速度。直到最近，其公认的数值来自欧洲空间局的普朗克卫星，它测量的是在宇宙大爆炸之后38万年时所发出的光。对这一宇宙微波背景的最精确测量为我们提供了对婴儿时期宇宙前所未有的认识。 有了这些数据，科学家们可以从宇宙微波背景中提取当时物质分布的情况，然后将其推演到130亿年之后的今天，进而得到现在宇宙膨胀的速率为每百万秒差距每秒67.3千米。 由“普朗克”观测结果外推得到的哈勃常数数值与目前对宇宙的观测结果符合得很好，也与宇宙学常数相一致。但是，借由宇宙微波背景并非是计算哈勃常数的唯一方法。  自哈勃的时代起，天文学家就在使用来自遥远恒星和星系所发出的光来直接测量哈勃常数。被称为标准蜡烛的特定恒星会发出可预知的能量，从而可以用来在近距宇宙中精确地测量距离。通过观测整个星系则可以让我们把这一方法拓展到更为遥远的距离上，这类手段被称为宇宙距离阶梯。 在过去的十年中，天文学家一直在致力于校准和拓展这一阶梯，进而得到近距宇宙中的哈勃常数数值。当2011年第一批由此得到的新结果公布时，所测得的哈勃常数与由“普朗克”数据所推断出的都具有较大的不确定性，这让这两者看上去是相容的。但从那时起，这两者的误差都在不断减少，这两个数值之间的差距开始越拉越大。在近距宇宙中的最新测量结果表明，哈勃常数为每百万秒差距每秒73.2千米，它在99.9%的置信度上与“普朗克”数据得到的结果不一致。如此高的不一致性开始让情况变得非常严重。 当科学家们对数据做进一步的筛选时，这一差别可能会消失，或者它仅仅是一个统计概率上的巧合。然而，这绝非是唯一让宇宙学家担心的事情。  魅影的威胁 千度巡天（KiDS）是一项旨在使用弱引力透镜来对天空中的一大片区域进行勘测的计划，它所测量的是物质集团对其附近光线路径所造成的弯曲效应。它可以为ΛCDM模型的另一个关键预言施加限制：宇宙中暗物质的分布方式。最新的分析显示，暗物质的分布比预期的要更加平滑得多，这与根据“普朗克”观测数据外推得到的结果有着明显的差异。 2012年当KiDS的团队开始公布初步结果时，“普朗克”团队的成员必然会对其发难，认为他们的工作存在错误。在当时KiDS团队并没有足够的信心来反驳。也许这两个团队都是正确的。 在过去的一个世纪里，我们已经见证了宇宙从稳态到以恒定的速度膨胀，再到以恒定加速度膨胀。调和ΛCDM模型所存在问题的最简单方法其实只需要再往前走一步，放宽暗能量密度随着时间保持恒定这一限制：导致宇宙加速膨胀的宇宙学常数本身在不断增大，所以宇宙学常数并非是常数。  暗能量会随时间演化的想法并不新鲜。早在20世纪80年代就提出了暗能量眼下最流行模型的一个变体，被称为精质（quintessence）。它认为暗能量是一种无所不在的场，类似于自然界中的第5种作用力，其强度会随时间而改变。但最初的精质模型并不能完全解决问题。为了解释最新的结果，需要暗能量以某种令人惊讶的方式来演化。 暗能量的演化方式可以通过其能量密度与其向外所施加压强之间的关系来概括。在ΛCDM模型下，这两个属性的比值为一个常数，其数值等于-1。在传统的精质模型下，该比值可以增大到任意数值，目的是为了确保暗能量密度随时间减小。然而，对于最新的观测数据来说，这个比值必须要进入此前所认为的“禁区”，即小于-1的区域，这意味着暗能量的强度必然会随着时间而增加。这类会把宇宙撕扯开的负能量必须不断地从无中生有。 这绝对是一个非常奇怪的景象。任何的能量形式通常都不会从无生有。传统上，物理学家们会忽略掉这些具有此类看似不可能行为的理论模型，它们还获得了一个有点“不屑一顾”的名字：幻影暗能量。但现在这些魅影正在兴起。 在它的主宰下，宇宙的最终命运将会是戏剧性的。在极为遥远的未来，加速膨胀的斥力会在任何一个尺度上都超越物质之间的束缚力。于是，宇宙中每一个粒子都会被撕扯开，被称为大撕裂。在当下，它也会产生有一些恼人的后果，对已有的认识提出质疑。在一个被幻影暗能量驱动的宇宙中，普通事物无法持续稳定地存在至今。早在人类出现之前，一切都会衰变成暗能量。这个迹象表明，有一些更为根本的东西我们至今仍然未知。幻影暗能量也许并非是终点。 在它的背后可能还隐藏着些什么？一个想法是，宇宙的两大成分暗物质和暗能量会以某种方式相互作用，由此导致了我们所观测到的结果。例如，如果暗物质会不断地衰变成暗能量，那它可以解释后者的增大。另一个可能是存在着几个尚未被发现的能量场，它们混合在一起会产生随时间变化的斥力。不过，这些多场模型并不十分被看好，因为它们会使得幻影暗能量的行为变得更加古怪。 理论物理学家将目光关注这些未知的领域让实验物理学家和观测天文学家备感紧张，促使他们对哈勃常数的最新测量结果进行更加精细的交叉验证和匿情分析。 许多人希望这一差异会变得越来越难以被否认和忽视，迫使所有人去面对新的物理学。甚至有宇宙学表示，如果宇宙可以用一个平坦的ΛCDM模型来描述，那么他觉得后半生可以去干点别的事情了。  别样的歌声 新一代的天文台也许可以一劳永逸地解决这个问题。将于2020年发射的欧几里得探测器和计划于2019年开始对南天进行勘测的大口径全天巡视望远镜将有助于完善现有的测量结果。虽然利用引力波也可以测量宇宙的膨胀速度，但其目前的不确定性还太大，不足以提供一个关键的独立评判。 2017年，激光干涉仪引力波天文台和室女座引力波天文台探测到了两颗中子星碰撞并合所产生的引力波，随后天文学家们用望远镜对其进行了后续跟踪观测。这是第一次在引力波和电磁波上观测到同一天文事件。这种结合将会为测量宇宙膨胀的加速度提供一种新的方法。由于不依赖其他手段，因此它会具有较高的准确性。  但仅观测到一次是不够的。根据预测，未来十年可能会探测到几十个类似的事件，届时其精度应该会达到能帮助我们判定暗能量是否需要被再次修改的程度。 在问世一百年之后，宇宙学常数眼下可能正在遭受致命的攻击，但它的接班人却仍无处可寻。放眼看去，还没有一个真正好的物理理论，也没有一件事情让所有科学家都感觉是正确的。 |
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[New Scientist 2017年12月9日]
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