親子觀星會

暗能量主宰太空命运
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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

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。

　　寻找暗物质

　　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望远镜观测和数据分析，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。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，但物理学家对于暗物质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