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暗能量之谜

2013-05-22 16:57 作者:苗千来源:三联生活周刊 2013年第21期
目前物理学家和宇宙学家们对于暗能量唯一了解的就是对它仍然一无所知,目前“暗能量”这个名词所代指的并非一个确切的物理学概念,而是现今宇宙学中最为深刻的难题。

暗能量相机

暗能量相机拍下的棒旋星系NGC 1365的图像,位于天炉座,距地球600万光年

1953年,哲学家路德维希·维特根斯坦的代表作《哲学研究》在他去世以后出版,在这部我从来没有读懂过的哲学著作中,作者用了很大的篇幅来研究语言哲学,阐述语言和它所代指的实体之间的关系。物理学概念的定义通常会非常规范严谨,物理学名词所指代的物理量都有明确的定义和计量,换算关系。“暗能量”一词显然不是一个明确的物理概念,目前物理学家和宇宙学家们对于暗能量唯一了解的就是对它仍然一无所知,目前“暗能量”这个名词所代指的并非一个确切的物理学概念,而是现今宇宙学中最为深刻的难题。

科学家们用暗能量来命名一个宇宙学的谜团可能只是无奈之举,这个名词描述的实际上是一个在15年前发现的、宇宙学最为深刻并且令人迷惑的现象——宇宙正在加速膨胀。1998年,两组研究团队通过对宇宙中Ia型超新星的观测发现了与人们直觉完全相反的事实——宇宙正在加速膨胀,这个发现使得两个团队的领导者萨尔·波尔马特、莱恩·施密特和美国科学家亚当·里斯获得了2011年诺贝尔物理学奖,但是在15年过去后,人们对于这个宇宙学谜团的认识并没有任何进展,我们对于“暗能量”这个名词背后所隐含的深刻的科学内涵仍然一无所知。

人类对于宇宙形态的幻想一直都是静态的,这可能是一种超越科学常识的直觉性体验——根据牛顿力学,如果宇宙中的天体因为自身质量而通过万有引力相互吸引,那么宇宙最终将收缩到一起,但是这显然不属于人类对于未来的忧虑之一。爱因斯坦在1916年提出的广义相对论修正了牛顿力学,把万有引力作用通过几何学描述出来。但是爱因斯坦在当时仍然持有同样静态宇宙的概念,他也认为宇宙的形态应该是静止的。同时爱因斯坦也意识到,根据广义相对论的描述,宇宙仍然会不可避免地陷入收缩状态,这与他静态宇宙的观念相悖,于是他在广义相对论中加入了一个“宇宙常数”项,用来表示宇宙空间中一种相互排斥的能量用来与引力相抗衡,保持宇宙的平衡状态。爱因斯坦当时的想法人们不得而知,但是即使加入了宇宙常数这一项,爱因斯坦在当时也不难发现,他所描述的整个宇宙实际上处于一种极为不稳定的平衡状态中。爱因斯坦本人在1929年也不得不放弃了广义相对论中的宇宙常数,因为在当年哈勃望远镜通过对宇宙的观测发现,宇宙是在膨胀的状态中,这与大多数人所想象的静态宇宙不同,因此爱因斯坦只能把宇宙常数和他的静态宇宙观念一起抛弃,并且称在广义相对论中加入宇宙常数是他“一生中最大的错误”。

一个膨胀的宇宙该有怎么样的性质和未来?因为宇宙的星系之间存在引力,这种引力将是宇宙膨胀的反作用,因此,一个膨胀的宇宙在引力作用下,膨胀速度会逐渐减慢。直到20世纪90年代,人们仍然相信宇宙中有足够的物质和能量使这种膨胀减速或是转变为收缩。但是,一个加速膨胀的宇宙就完全不同了,它彻底改变了人类的宇宙观,宇宙中的某种未知的动力克服了引力作用,这使得宇宙的膨胀在目前看来无可阻挡。在发现了宇宙正在加速膨胀这个事实之后,人们命名使得宇宙加速膨胀的原因是暗能量,但是除了这个名词,人们对于其中的原因仍然一无所知,也有宇宙学家通过类比,认为宇宙中的引力和暗能量是相对应的“阴”和“阳”,但是这种类比对于我们理解这个宇宙现象仍然毫无帮助。

坐落在智利圣地亚哥托洛洛山的美洲际天文台

人们试图通过现有的知识来理解宇宙的加速膨胀,找到其中的驱动力,目前有几种不同的解释:在放弃了宇宙常数将近70年之后,人们也许需要把宇宙常数重新引入到宇宙学之中,这代表了宇宙空间的一种性质,即空间自身可以拥有能量,这种能量使空间相互排斥,也使得更多的空间出现,因为空间本身拥有能量,因此这种能量的密度并未降低,并且促使空间膨胀的速度越来越快。但问题是,宇宙空间为什么会有这种性质?也有物理学家怀疑是量子力学描述的真空中出现的“虚拟粒子对”对抗着引力作用。当然,还有一种可能是描述引力作用的广义相对论本身有错误,需要修正,它在更大的尺度上可能失效,引力可能反过来表现为斥力,造成宇宙的加速膨胀。

为了理解暗能量的本质,科学家们需要对宇宙的历史和现状都有更清晰的理解。暗能量调查项目正是为了研究暗能量和宇宙加速膨胀的本质而设立,从2012年9月开始计划进行5年的研究,这个由来自23家研究机构,超过120名研究人员组成的研究项目计划通过专门设计的设备进行天文学观测来解开暗能量之谜。这个项目首先将观测描绘一个更加清晰的宇宙地图,通过这个地图说明暗能量随时间变化的过程,进而鉴别各个描述暗能量的理论模型。

暗能量调查项目的主要工作听起来非常浪漫,就是数星星,或者说是数星系团的数量,并且估算它们的质量,但实际上这并不是一件简单的工作。在南美洲智利的赛拉托洛洛美洲天文台(CerroTololoInter-AmericanObservatory),暗能量调查项目通过一个超级敏感的570兆像素的数字照相机DECam,观测那些来自遥远星体的高度红移的星光,DECam被安装在该天文台的维克多·M.布兰科望远镜(VictorM.BlancoTelescope)上。每个晚上,DECam大约都要拍摄400张左右的照片,这些照片会被迅速发到美国伊利诺伊州的一个超级计算机上进行分析。

考虑到在宇宙中存在着数以亿计的星系,在一定范围的宇宙空间内,数出在一定质量范围的星系或是星系团,并且掌握它们随时间变化的规律绝非易事,但是目前看来,这可能正是理解暗能量本质的关键。因为暗能量使宇宙扩张,星系团的密度随之降低,但新的星系和星系团也会随着引力和暗能量的相互作用而诞生。因此,如果我们详细了解了宇宙中星系团的数目、质量和年龄,就有可能了解暗能量与引力作用之间相互作用的关系。同时,根据不同的暗能量模型,超级计算机可以模拟估算出不同年龄和质量的星系团在宇宙中的数目,天文学家们正是通过这种实际观测来分辨哪些模型更加可靠。

相比于数星系团的数量,要计算它们的质量更加困难。科学家们无法直接测量星系团的质量,只能通过几个侧面来估算,最有效的方法就是利用“引力透镜”的方法,星系团因为其自身巨大的质量引起其周围宇宙空间的扭曲,这样当光线经过星系团周围时,就会发生扭曲,这与光线穿过透镜造成的效果类似,因此被称为引力透镜现象。星系团的质量决定它对于周围宇宙空间扭曲的程度,因此,科学家们在接受到来自遥远星系的光线之后,通过观察它们扭曲的状态就可以估算出它们所经过的星系团的大体质量。另外,在一个星系团中亮红星系的数量也和这个星系团的质量有联系,通过计算一个星系团中亮红星系的数目,也可以大致估算出星系团的质量。另外,星系团中充满了炽热的气体,这些气体会发出X射线,对宇宙背景辐射中的光子进行散射,暗物质测量项目将会联合南极望远镜对这种现象进行观测。

与天文学观测中常用的超新星探测与重子声学振荡探测方式来探测天文学距离不同,暗物质探测项目将会同时探测宇宙结构生长的速度,这种探测会带给我们更多宇宙成长的细节,同时也是对于广义相对论的检验。

探索暗能量注定是一个长远且艰巨的课题,同时也是当今宇宙学研究中最为深刻的难题,人类更多对暗能量进行探测和研究的计划将逐步展开。对暗能量难题研究的深入注定将改变人类对于宇宙的认识,要知道,人类所熟知的“普通物质”只占到宇宙总量的5%左右,而暗能量则占到宇宙总量大约68%,从这个意义上说,暗能量不光是宇宙膨胀的驱动器,也是宇宙的真面目。

 

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