| 宇宙学 宇宙的黑暗面 科学家试图理解宇宙为何离他们远去 Feb 18th 2012 | from the print edition  重5吨，解析度达520兆像素，这是有史以来最大的数码相机。物尽其用，设计这架相机的目的是为了解决宇宙中最大的一个问题。2月20日，位于智利北部阿塔卡马沙漠海拔2200米处的托洛洛山泛美天文台（上图）的研究人员将开始在名为布兰科的望远镜上安装这架庞然巨物。这架相机是暗能量巡天项目（DES）的一个关键组成部分。而该项目是迄今为止最为雄心勃勃的一次尝试，希望能解开物理学面临的最令人困惑的奥秘：到底是什么驱动着宇宙以越来越快的速度膨胀。 人们从20世纪20年代末开始就已知道宇宙在不断膨胀。但是当时的一般观点是这种膨胀的速度正在逐渐减慢中。1998年两个相互独立的研究项目得出了和该观点相反的结论，在宇宙学内引起了天翻地覆的大变化。从那以后，共有5000篇论文发表试图解释为什么宇宙膨胀会加速或试图在宇宙膨胀不加速的前提下解释该实验结果。劳伦斯伯克利国家实验室的索尔·珀尔马特对此表示惊叹：“平均算下来每天都有超过1篇发表。”1998年获得该突破性结果的那两个项目正是由珀尔马特带领的超新星宇宙学计划和由布莱恩·施密特和亚当·里斯带领的高红移超新星搜寻计划。去年10月这三位项目负责人因为该成果共同获颁2011年诺贝尔物理学奖。 这5000篇论文中有很多都在讨论一个称之为“暗能量”的概念。这个概念之所以这么流行的一个原因在于它一箭双雕地解释了最近几年另外一项重大宇宙学发现。20世纪90年代初对于宇宙微波背景辐射（简称CMB，宇宙中无处不在的微波“海洋”，从中可以观察到宇宙诞生后仅仅38万年时的面貌）的研究显示宇宙在诞生后不久和现在都是“平坦”的。在宇宙中不管你画多大的一个三角形，即使边长达到几十亿光年，它还是和学校作业本上的三角形一样，三个内角和为180度。 这对于只在学校作业本上接触过几何学的人来说可能毫不意外。但这让许多物理学家们大吃一惊。在某些尺度上空间并不是完全平坦的：阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论的中心就在于以空间的弯曲来解释引力。宇宙学家们在这之前一直都以为他们最终会发现宇宙在最大尺度下是弯曲的，而现在发现事实并非如此激起了他们巨大的好奇心。 暗思想 用相对论可以算出只有在宇宙的密度处于一个特定值时，宇宙才会是平坦的。相对论里的密度不仅是对给定体积内质量的测量，也包括了该体积内的能量。问题在于各种证据显示宇宙中所有的普通物质（组成人类，行星和恒星的物质）总合只达到了该特定密度值的4%。加入特殊的“暗物质”（不由原子组成，和宇宙中其它物质几乎只通过引力相互作用），最多也只能再增加22%。这意味着该特定密度值有大约四分之三无从解释。因此理论物理学家们，像是芝加哥大学的迈克尔·特纳相信人类的宇宙观中缺乏了很重要的一部份。 不管驱动宇宙的膨胀速度越来越快的背后原因是什么，它都能很好地解释这个密度问题。如果在宇宙中已知的物质与能量总量上加上让宇宙膨胀速度加快所需的能量，其结果差不多正好是平坦宇宙所需的物质能量密度。但是这里有一个问题，要让数值一致，“暗能量”（据说该名字就是特纳博士取的）必须要具有一些相当怪异的特性。根据爱因斯坦的相对论，辐射形式的能量和物质一样具有引力效应，组成光的光子会施加压强，而这种压强就会产生引力。如果要驱动本身的加速膨胀，暗能量就要拥有某种斥力效应。换句话说，它必须施加负压强。 用暗能量的压强（负值）除以其能量密度（正值），得到的结果宇宙学家用字母“w”代表。很明显w是负的。1998年以来的观测表明w很接近-1。如果w正好是-1的话，暗能量就变成了一种物理学家称其为宇宙常量的特殊物理量。一个宇宙常量在宇宙中任何一点的观测值都是恒定的，这是宇宙组成里的一种永恒的内禀特点，不管宇宙膨胀得多大，弯曲得多厉害，或形成多复杂的结状结构，该物理量都保持不变。 宇宙常量是另一项最早由爱因斯坦提出的概念。爱因斯坦当年在意识到自己的广义相对论方程意味着宇宙可以膨胀（或收缩）时，他在方程里加入了另外一个参数来描述这样一种宇宙常量，以防止膨胀或收缩发生。虽然爱因斯坦自己作出过大量打破常识的著名预测，至少在1917年发表广义相对论时他还不愿接受宇宙可以膨胀这一观念。12年之后爱德温·哈勃发现了其它星系确实在逐渐离地球所在的银河系远去，于是爱因斯坦把这一额外参数从方程中去除了。很明显，一开始对自己的数学方程信心不足这一点让他很是着恼，他后来称宇宙常量是他一生中“最大的错误”。 不过，那时宇宙常量这一概念已被量子理论物理学家们拿来使用了。他们的领域当时也在物理学中产生翻天覆地的变化。量子理论认为太空中的真空实际上并不是如表面一样空无一物。其中充斥着大量不断诞生消逝的“虚拟”粒子。这种大量粒子活动产生的能量—真空能应该是空间的一个恒定特性。换句话说，真空能就是一个宇宙常量。 用弦串起来 从原理上来说，真空能也能推动宇宙的膨胀。因此真空能和暗能量可能是一体两面的。但是这虽然在理论上非常优美，但却面临着一个实际问题。单纯就量子理论进行简单计算得出的真空能大得离谱，是暗能量估计所得的能量密度的1060到10120倍。一些物理学家称这一差异为“史上最糟的预测”。解释为什么真空能没有计算所得那么巨大一直都是困扰着物理学家的一个问题。 加拿大安大略省滑铁卢市圆周理论物理研究所的克里夫·博格斯曾发表过珀尔马特博士所说的那5000篇论文中的一部份。他认为自己已掌握该问题的答案：真空能是很巨大的，但是其几乎完全隐藏在额外的空间维度内。和大家熟悉的长度，宽度，高度这三维不同，这些额外的维度都处于高度的蜷缩状态，因此无法被探测到（虽然科学家现在正在试图用像是日内瓦附近的大型强子对撞机这样的粒子加速器来打开这些额外维度）。物理学家对额外维度的兴趣来源于弦理论。弦理论是一类基于量子理论的数学模型，试图以最基本的方式描述宇宙现实。该理论要求在常见的三维之外还存在至少六个，可能更多的额外维度。 博格斯博士的猜想不同寻常之处在于其独树一帜地提出这些吞噬能量，蜷缩卷曲的额外维度直径可以达到几微米，这在弦理论的标准下可说是庞然大物了。这么一来芯片制造商，病毒学家和其他一些处理微米尺度事物的人士本应注意到这些额外维度现象。博格斯博士认为之所以他们没有发现是因为这些额外维度和暗物质一样只会对引力有所反应，而不受自然界的其它三种基本作用力：电磁力，弱核力和强核力的影响。这听上去可能像是个低劣的借口，但在实际数学处理上这个假设却很稳健且合理。而且这一假设可以作出一些预测：例如如果该假设成立那么在微米尺度下两个物体之间的引力不会像牛顿以来所有的物理学家所想的那样和物体之间距离的平方成反比。 华盛顿大学的埃里克·爱德伯格正在带领一个小组进行一项实验来验证这一预测。他们使用的是世界最灵敏的扭力天平。18世纪末英格兰物理学家卡文迪许曾用这种仪器第一次直接测量到了引力的存在。这次使用的是该仪器的现代改进版。其中包括一块用弦线水平悬挂在空中的圆盘，圆盘边缘有挖出来的空洞。该圆盘位于另一块同样挖孔的圆盘上方，双方相隔仅几微米。如果转动下方的圆盘，其空洞之间的物质会对上方圆盘空洞之间的物质施加以引力，导致上方的圆盘发生仅仅几十亿分之一度的细微转动。到目前为止，牛顿还占着上风。爱德伯格已经确认牛顿的万有引力定律在最小44微米的尺度下依然成立。但是实验还在继续，博格斯博士打赌牛顿的万有引力定律在更小尺度下的正确性很快就会被推翻。 如果博格斯博士最终被证明是正确的，那么真空能和暗能量就可以被统一并且是一个宇宙常量，而且w正好等于-1。那么，如果该猜想不成立会怎样呢？那么暗能量的值就取决于空间，时间，或是同时取决于两者，而且此时此地其值接近于-1只不过是个巧合。这种性质的暗能量有着各种各样的名字，像是第五元素，纯动能，幻影能量等等，五花八门。具体该用哪个名字取决于你问哪个理论物理学家，以及你假设该能量会有什么性质。它将会是一种新的基本力，一种只在巨大的天文距离下其效果才会被察觉的作用力。 另外一种办法就是调整现存的一种基本作用力。一些物理学家宁愿修改爱因斯坦的相对论，例如让引力在极大的距离下变得更弱。这是很棘手的，修改广义相对论的方程出了名的困难，一点小改动就可能让整个相对论分崩离析。这也是相对论长久不衰的原因之一。另外一个原因在于各种实验测试，从对太阳系内运行的各种天体的细微测量到对离地球几十亿光年的已知最远光源－类星体的观察都一再验证了相对论的正确性。所以任何新理论要成立必然困难重重，当然，这并没有阻止理论物理学家进行尝试。 w离-1越接近，要求w为-1的宇宙常量理论就会吸引越大的热情，而第五种作用力或引力修正受到的关注就会越少（这些理论的吸引人之处有一部分就在于其允许w取其它值）。这就是托洛洛山泛美天文台可以有所贡献的地方了。现存的地面和太空望远镜数据把w的值锁定在介于-1.1到-0.9之间。DES旨在将这个误差范围缩小到0.01。要做到这一点，布兰科望远镜需要每晚拍摄400张1GB大小的照片，总共拍摄525个夜晚。因为望远镜还需要支持其它科研项目，整个过程将耗时5年完成。DES也会用大量高明的方法来分析这些数据。 第一种方法久经考验，是从珀尔马特博士，施密特博士和里斯博士那儿借鉴来的，该方法用于研究超新星，即正在爆炸中的恒星。超新星有很多种类。其中一种称为Ia型的超新星发出的能量几乎完全一样。因此这类超新星的发光强度也是一样的。由于从地球观测到的星体亮度会随其和地球的距离增加而有规律地减少，Ia型超新星是很出色的宇宙量尺。再加上光速是恒定的，知道这样一盏“标准蜡烛”离地球多远（根据地球上观测的视觉亮度计算得出）就能知道它是多久以前爆发的。另一方面，恒星和星系离地球远去的速度可以从其红移现象计算出来。当光源逐渐远去，光的波长也会增加，这造成其频率向光谱的红端移动。宇宙膨胀速度越快，红移现象也就越明显。 超新星宇宙学计划和高红移超新星搜寻计划都发现了同一现象，后来也得到了其它研究项目确证，那就是遥远的超新星亮度比预期要暗。这说明以宇宙整体膨胀速度恒定为前提，从这些超新星的红移程度所算出的它们和地球的距离比真实距离要小。因此宇宙的膨胀速度一定在近期增加了。 这两个研究小组的结论最开始是建立在对仅仅50几颗超新星的观测数据上的。现在这个数字已经翻了10倍，但是即使这样，还是有很大的误差空间可以证明宇宙常量最终不是一个常量。DES负责人乔舒亚·福莱曼希望他的小组能总共分析超过4000颗超新星。其中有的距离甚至达到70亿光年。这么远的超新星爆炸时宇宙的寿命还只是今天的一半。研究人员认为当时宇宙中占主导地位的作用力还是其内部物质产生的引力，这减慢了当时宇宙的膨胀。现在的一般观点是在大约50亿年前，宇宙中暗能量的作用开始占上风，宇宙膨胀速度开始提高。对于慢膨胀什么时候开始转为快膨胀这一时间点的更好估计可以帮助物理学家来确定w的值。 天体之歌 福莱曼博士和他的同事将调整望远镜，让其集中搜寻天空中的10片区域，以期发现并追踪超新星现象。除了这一搜索之外，DES也会利用三种其它方法来集中搜寻八分之一的夜空区域，寻找其它线索。这三种方法都要依靠大量的计算机资源，在表面上随机的数据海洋中寻找细微的统计异常现象。 其中一种方法在寻找起源于宇宙大爆炸的音波效应：重子声学振荡（BAO）。大爆炸之后形成的原始粒子混沌被称为重子-光子流体。在该流体中存在密度波，就好像空气中的音波，只是其规模要宏大得多。但是当流体冷却到一定程度后，重子（形成原子核的粒子）和光子开始分道扬镳。光子变成了今天的宇宙微波背景辐射。光子自大爆炸以来就和物质一直无关，正是这一点让宇宙微波背景辐射成为人们观测早期宇宙的一扇非凡窗户。 因为光子的脱离，重子－光子流体也不复存在了。重子被困在各自当时的位置上。重子光子分离时流体内重子密集的地方之后会一直保持其高重子密度，而当时流体里重子稀疏的地方则会一直保持在低重子密度状态。那些高密度地区就是后来演变出星系的种子。因此，从星系之间的平均距离可以估算出原始流体内的振动波长。这一特征长度现在已经延展到大约4亿5000万光年了。测量在宇宙早期该长度多大可以得出宇宙膨胀的速度。 DES的另外两种方法不仅像超新星搜寻和BAO搜寻那样测量宇宙膨胀的速度，它们也测量星系团之类的宇宙结构本身的演化。追踪星系团的大小和形状随着时间推移的变化可以让研究者更好地理解把它们拉拢的引力和把它们推开的暗能量之间的拉锯战。这些结果可以帮助研究者理解宇宙的膨胀是否单纯由于暗能量引起，还是引力修正也有贡献。如果暗能量要付全责，那么物理学家应该在四个方法的结果中找到一致性，而如果引力修正也有贡献，那么后两个方法的结果将和前两个方法的结果相驳。 探测宇宙结构的一种方法就是数出在一定空间体积内，不同红移程度下各有几个质量一定的星系团。实际操作起来这要比听上去更困难，因为宇宙中大约85%的质量是以无法观测到的暗物质形态存在的。但是还是可以通过间接测量得到。例如可以通过观察气体云在星系团核心内的暗物质引力吸引下温度会升高到什么程度来推算。 还有一种方法，不管是暗物质还是普通物质，其分布可以从它对光的影响上观测到。根据相对论，光线在通过大质量物体附近时会被曲折。物体质量越大，物体背后的事物影像就越加扭曲。大多数时候，这种扭曲效果都很细微。星系的光在到达地球上的望远镜前通过各种物质团所产生的折射造成的星系影像拉长一般只有大约2%的程度。更糟糕的是，很少有完全成球形的星系，所以光靠观察某个特定星系很难看出其影像是否被拉长了。幸运的是，天空中某一特定区域内所有星系的光在前往地球的路上应该通过同样的物质团。这么一来地球上看到的这些星系影像应该都是向同一个方向变形的。如果你观测大量的这类星系，就能从中找到一定的规律，天文学家就可以用观察到的规律建立一个造成光线弯曲的结构模型。DES总共将观测3亿个星系。  透过宇宙棱镜斜着看
把所有四个方法的结果整合起来，应该就能更好理解宇宙加速膨胀的起因。至少研究者希望会是这样。伦敦大学学院的奥非·拉哈弗负责DES下的科学项目。他认为DES很有可能会大大提升w的值等于-1，也就是说它是某种宇宙常量的可能性。 把最好的留给LSST 其它一些更雄心壮志的项目将努力把w的测量精确度提高。去年大型綜合巡天望遠鏡（LSST）开始动工，这架望远镜比托洛洛山泛美天文台的望远镜要大得多，它完工后将会被安置在距托洛洛山10公里的帕切翁山顶上。虽然其6亿2000万美元的预算仍然在等待美国国家科学基金和能源部批准，科学家们希望它能在2021年前完成并开始运作。LSST上的巨无霸相机像素将达到3.2千兆。 此外还有两架太空望远镜，每一架都将耗资大约10亿美元。欧洲太空局计划在2019年启动“欧几里德”项目，而美国航天航空局希望能在三年之后的2022年将WFIRST望远镜送入轨道。 这些项目并不是完全只研究暗能量本质的。例如，LSST将能够发现极微小的小行星，包括那些可能对地球有害的小行星。不过不管怎样，它们和其它的各种天文项目都仍将致力于解决宇宙膨胀之谜。 问题在于不管有多少观测结果，都不可能完全确定w的值。那将需要无限的精准度，就算在一个一直膨胀的离奇宇宙里，实现无限的精确度无异于痴人说梦。而w只要偏离-1哪怕一丁点，整个常量理论框架都会付之一炬。  珀尔马特向引力挑战
宇宙膨胀之谜给科学家们提供了一个比所有其它科学问题更大的存在难题。特纳博士说：“也许这是一个应属于22世纪的问题，我们只是正好在20世纪发现并开始思考它罢了。”一些研究者认为花在这个问题上的时间分配到别的科学活动上会更好。 包括珀尔马特在内的许多天文学家都暗中希望随着DES和大量其它科研项目的展开，会有一个惊喜出现，正如1998年把宇宙膨胀加速这一概念引入主流物理界的项目那样。不管这会不会发生，暗能量（或者其它宇宙加速的真正原因）这一谜题太过巨大，科学家也许无法在一代人的时间里把它解决。在未来的很多年里，这个谜题还会继续困扰着科学家们。 |
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