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宇宙学心脏上的黑暗虚空
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Stephen Battersby 文 Shea 编译 |
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我们的宇宙图景极其成功——但这也许是因为其绝大部分完全出自于想象。 对于我们的眼睛来说，星星即是宇宙。而对于宇宙学家来说，它们只不过是闪烁的尘埃，真实空间里不起眼的点缀而已。远远超出普通恒星和气体的是难以捉摸的两样东西：暗物质和暗能量。除了知道它们似乎可以是任何东西之外，我们对它们一无所知。 这对孪生的幽灵足以让我们暂时停下脚步，思量在过去的一个世纪里我们小心建立的宇宙学模型是否正确。还不仅于此。我们的标准宇宙学还提出，在大爆炸之后的瞬间空间就被一种未知的东西拉伸成形，这第三种“暗”成分被称为暴胀场。这可能意味着在我们视线之外还隐藏着无数其他的宇宙，其中大多数另类得不可思议——而它们的存在只是为了让我们的宇宙模型奏效。 对于我们的观测而言，它所承载的这些幻影的负担是否太过沉重了——正如马克·吐温所说的，这真是一本万利的买卖？ 我们标准宇宙学的物理基础是爱因斯坦的广义相对论。爱因斯坦始于一个简单的观测：任意物体的引力质量是完全等于其抵御加速度的能力，亦即惯性质量。由此，他推导出了描述质量和运动如何弯曲空间以及如何把这一弯曲视为引力的方程。苹果落地正是因为地球的质量弯曲时空所造成的。 在一个引力相对较弱的环境中，例如地球，广义相对论的效应看起来非常像早先的牛顿理论的预言，后者把引力描述成物体间瞬间的作用力。然而，在引力场较强的地方，两者则会大相径庭。广义相对论的一个额外预言是，加速的物体会产生时空的微小涟漪，被称为引力波。虽然引力波还没有被直接观测到，但1974年发现的一对脉冲星正以广义相对论预言的方式彼此靠近，因为引力波带走了它们的轨道能量。 引力在宇宙尺度上占据了主导地位，于是广义相对论也就成为了我们描述宇宙整体行为和演化的最佳工具。然而，它的方程具有令人惊悚的复杂性。如果你带入一个复杂的值，例如真实宇宙中质量和能量纷繁复杂的分布细节，那它就会变得无法求解。为了建立一个有效的宇宙学模型，我们不得不做简化假设。 最主要的假设被称为哥白尼原理，即我们并不位于在一个特殊的地点。宇宙处处看起来都应该几乎是一样的——当我们在足够大的尺度上放眼望去，物质的分布确实是相当均匀的。这意味着只要把一个数字输入给爱因斯坦方程就够了，即宇宙的物质密度。  他最大的错误 爱因斯坦自己的第一个简化宇宙模型充满了密度均匀分布的无碰撞尘埃，结果它会在自身引力的作用下收缩。为了规避这个问题，他在方程中添加了新的一项，使得真空本身就具有了一个恒定的能量密度。它的作用是排斥力，因此加入适量的这个“宇宙学常数”可以确保宇宙既不膨胀也不收缩。当20世纪20年代的观测表明宇宙实际上在膨胀时，爱因斯坦将他的这个举动称为是他最大的错误。 这也使得其他人把相对论方程用于一个膨胀的宇宙。他们得到了一个模型，宇宙最初形成于一个难以想象的高密度点，其膨胀的速度会由于物质的引力而逐渐减慢。 这是大爆炸宇宙学的诞生。当时，主要的问题是这一膨胀是否最终会停下来。答案似乎是否定的；宇宙中的物质太少，其引力不足以束缚住逃逸的星系。宇宙会永远向外扩张。 随后，宇宙的幽灵便开始浮现。其实黑暗使者早在20世纪30年代便已登门，但直到20世纪70年代末当天文学家发现星系转得太快时才被完全看清。根据广义相对论或者牛顿物理学，可见物质的引力太弱无法维系住这些星系。天文学家得出的结论，必定存在大量看不见的物质，以此来提供额外的引力。 其他的证据也支持了暗物质的存在，例如星系群的运动以及星系群对光线的弯曲。第一代星系的形成也需要它们的帮助。总体而言，暗物质的总质量似乎是可见气体和恒星的约5倍多。 但暗物质的成分仍然未知。它们似乎是粒子物理学标准模型之外的东西。尽管我们尽了最大的努力，但还没有在地球上观测到或者是创造出一个暗物质粒子。不过，它对宇宙学标准模型的改变却很小：在广义相对论中暗物质的引力作用和普通物质的相同，然而即便有这么多的暗物质也不足以让宇宙膨胀停下来。 原因就在于黑暗使者的第二种形式引发了一场更深刻的变化。20世纪90年代，天文学家通过测量Ia型超新星可以比以往更精确地追踪宇宙膨胀。他们发现宇宙膨胀正在加速。似乎有某种斥力作用于整个宇宙，全面压制了物质间的引力。 精确的配方 这可能是爱因斯坦宇宙常数的复生，它是一种能在真空中产生斥力的能量，但粒子物理学们仍挣扎于解释为什么空间会拥有这么小的隐含着的能量密度。于是，富于想象力的理论家们提出了其他的想法，包括由尚未发现的粒子所产生的能量场、来源于可观测宇宙之外的作用力又或者是自其他维度的力。 不管暗能量可能是什么，但它看起来却足够真实。大爆炸后仅37万年第一代原子形成时所释放出的宇宙微波背景辐射中具有温度稍高和稍低的斑点，它们代表了年轻宇宙中密度稍高和稍低的地方。这些斑点的典型尺度可以用来搞清楚在什么程度上空间可以作为一个整体被物质弯曲。结果发现空间看上去几乎是完全平坦的，这意味着所有这些弯曲的影响必定相互抵消了。这再一次地需要一个额外的斥力来平衡由于膨胀和物质的引力所造成的弯曲。星系在空间中的分布也给出了类似的论断。 所有这一切让我们得到了宇宙的精确配方。空间中普通物质的平均密度为每立方米0.426幺克（1幺克=10-24克），占宇宙总能量密度的4.5％。暗物质占了22.5％，而暗能量则占了73％。我们基于广义相对论的大爆炸宇宙模型和观测符合得非常好——只要我们高兴吻合度可以超过95.5％。 不过，我们发明创造出的远不止这些。为了解释宇宙在各个方向上非凡的均匀性，今天的主流宇宙学还必须包含第三种诡异的成分。当宇宙年龄只有10^{-36}秒时，一种压倒性的力量接管了整个宇宙。这一暴胀场类似暗能量表现为斥力，但更强大得多，使得宇宙爆炸式的膨胀超过了10^25倍，拉平了空间并抹去了所有的不规则性。 当这一暴胀期结束时，暴胀场转变成了物质和辐射。暴胀场中的量子涨落变成了密度的细微变化，最终演变成了宇宙微波背景辐射中的斑点以及今天的星系。同样地，这个如梦幻般的故事看起来也与观测事实相符。再一次地，它也引入了许多的概念。对于广义相对论来说暴胀并不是麻烦——在数学上它只需要加上一个和宇宙学常数完全一样的项。但是，暴胀场曾经占据了宇宙成分的100％，而它的起源则和暗物质以及暗能量一样也是一个大难题。更重要的是，暴胀一旦开始就难以停止，它会创造出众多与我们的宇宙迥异的宇宙。对于一些宇宙学家来说，这一对多重宇宙的预言是重新审视我们标准宇宙学基本假设的一个紧迫理由。 标准宇宙学模型也面临着一些观测上的问题。大爆炸理论所产生的锂-7要比宇宙中实际含有的多得多。标准模型也无法解释宇宙背景辐射中某些特征的可能排列以及星系为什么会沿着特定的方向排列等。一个新发现的40亿光年长的超星系结构则对宇宙在大尺度上的均匀性提出了质疑。 黑暗三重奏 很有可能的是，这些分歧会随着更多的观测数据或者是改进的计算方法而消失。但更大的问题仍然存在。“我们不知道暗能量是什么，我们也不知道暗物质是什么，这让人有点尴尬，”美国哈佛大学的宇宙学家、第一批用超新星发现暗能量的小组成员之一罗伯特·基什内尔（Robert Kirshner）说。 自爱因斯坦的尘埃宇宙起，宇宙学的数学基础一直没有发生过变化，但所添加的成分却使得今天的宇宙模型更具活力、包含更多的细节。它的年龄和成分精确已知。暗物质似乎创造了星系和其他结构；暗能量则暗示宇宙将加速进入一个寒冷而孤独的未来；暴胀则彰显了宇宙剧烈的诞生。这三驾黑暗马车的每一个都指向了新的物理学。 基什内尔视其为一个挑战：“这并不意味着我们的论点有任何缺陷。它带来的不是绝望，而是灵感。”但只要我们还没有在实验室里找到暗物质的证据或者是证明暗能量的物理基础，我们就仍有可能深处极度的误解之中——一个未知的未知，一个甚至我们尚未能想象到的潜藏在宇宙数学模型之中的偏差。量子引力能告诉我们前进的方向吗？抑或，一些新的观测现象能指引我们再一次改写广义相对论宇宙学吗？ 我们只有最微弱的线索来寻找这些替代品。但也许我们只需要摈弃一个被忽视的有关现实的假设，幕布就会升起，所有的黑暗随即就会消散，繁星之夜会再现光芒。 |
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[New Scientist 2013年3月5日]
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