暗能量真的存在吗?

暗能量真的存在吗?
暗能量真的存在吗?

暗能量真的存在吗?
科学界最伟大的革命,往往由现实和预期之间最细微的差异所引发.16 世纪,哥白尼提出地球并非宇宙中心,他的立论基础在当时许多人看来,不过是天体运动中一些深奥难懂的细枝末节.今天,一场新的科学革命,已经随着11 年前宇宙加速膨胀的发现而拉开序幕.超新星亮度上的细微差异,曾让天文学家得出结论：构成宇宙的所有物质成分当中,有70%是完全未知的.也就是说,空间中充斥着一种不同于其他任何物质的成分――它们始终推动着宇宙膨胀,而不像其他物质那样阻碍膨胀.这种成分被称为暗能量（dark energy）.
10 多年过去了,一些宇宙学家依然对暗能量的存在感到不可思议,甚至开始重新思考那些最初令他们推导出暗能量的基本假设.其中一个假设正是早期科学革命的产物――哥白尼原理（Copernican principle）.这个原理认为,地球所处的位置既不是宇宙中心,也没有任何特殊之处.如果我们抛弃这一基本原理,一套能够解释这些观测现象而又不需要借助暗能量的宇宙图景,就会令人惊讶地显现出来.
大多数人都非常熟悉这样一个观念：我们这颗行星不过是一粒宇宙微尘,在一个毫不起眼的星系边缘附近,围绕着一颗普普通通的恒星旋转.在我们这个宇宙当中,类似的星系至少有数十亿,分布之广甚至超过我们的宇宙视界（cosmic horizon,即我们能够观测到的最远边界）――这使我们相信,自己在宇宙中的位置没有任何独一无二之处.不过,有什么证据能够支持如此谦卑的宇宙观?我们又如何才能确定自己是否处在一个特殊位置上呢?天文学家通常会跳过这些问题,假定我们的微不足道是显而易见的,不需要进一步探讨.我们或许真的处在宇宙中一个特殊的位置――考虑这样一种可能性在许多人看来似乎是不可思议的.然而,这正是世界各地一些物理学家小组最近正在认真思考的观点.
具有讽刺意味的是,假设自己在宇宙中无足轻重,恰恰给宇宙学家提供了强大的解释能力.根据哥白尼原理归纳而成的宇宙学原理（cosmological principle）声称：任何时刻,从空间中的任意一点朝任意方向看去,宇宙的模样都是一样的.这个假设让我们可以把自己在宇宙一隅看到的东西外推到整个宇宙.宇宙学家已经付出了巨大的努力,以宇宙学原理为基础,构建起了代表科学最高水准的宇宙学模型.结合现代科学对空间、时间和物质的理解,宇宙学原理暗示：空间正在膨胀,宇宙正在变冷,其中充斥着来自炽热宇宙开端的遗迹――所有这些预言都被天文观测一一证实.
比如说,天文学家发现,遥远星系发的光似乎比邻近星系发的光更红一些.这种被称为红移（redshift）的现象就能够用空间膨胀来巧妙解释,因为光波也会随空间的膨胀而被相应地拉长.微波探测器还发现了宇宙极早期发出的辐射――宇宙微波背景（cosmic microwave background）.这种大爆炸原始火球的遗迹,像一层帷幕包裹在空间各个方向,平滑得几乎完美无瑕.公平地讲,能成功解释这些现象,我们自视谦卑的态度实在功不可没――假设自己在宇宙中的位置越不重要,我们就越能够全面地探讨宇宙.黑暗降临
遥远的超新星总是暗于科学家的预期,如果坚持宇宙学原理,这就意味着宇宙中存在暗能量.
既然如此,为什么我们不能安于现状?如果宇宙学原理真的如此成功,为什么还要去质疑它?问题就在于,最近的天文观测有了一些非常奇怪的结果.过去十年来,天文学家发现,对于红移程度确定的遥远超新星来说,观测到的亮度总是暗于预期.超新星的红移标明了自它爆炸以来空间膨胀的幅度.测出遥远超新星发光的红移程度,宇宙学家就能推断,这颗超新星爆炸时宇宙的尺寸比今天小多少.超新星红移程度越高,它爆炸时宇宙的尺寸就越小,因此从那时起到现在,宇宙膨胀的幅度也就越大.
超新星的观测亮度给我们提供了一种方法,能够测量它到我们的距离,从而揭示这颗超新星爆炸距今有多久.如果一颗超新星的红移程度已经确定,而它的亮度看起来又低于预期,这颗超新星的距离就一定比天文学家认为的更远.它发的光需要更长的时间才能传到我们这里,这意味着宇宙从当时的大小膨胀到现在的大小,一定花了更久的时间.因此,宇宙过去的膨胀速度一定比科学家以前预期的更缓慢.事实上,遥远的超新星看上去非常暗,以至于宇宙必须加速膨胀才能赶上它目前的膨胀速度.
这种加速膨胀触发了一场宇宙学革命：宇宙中的物质本该吸引时空结构,使膨胀速度逐渐放缓,但超新星数据暗示,情况恰恰相反.如果宇宙学家接受宇宙学原理,并且假设加速膨胀出现在宇宙各处,我们就能得出这样一个结论：宇宙中必定充斥着一种能够产生排斥力的奇异能量――暗能量.
在物理学家用来描述基本粒子和作用力的标准模型中,没有任何东西与暗能量相符.这是一种尚未被直接观测到的物质,它的性质不同于我们以往看到的任何东西,能量密度也比我们能够作出的最简单设想低了120个数量级（根据量子场论推算出的真空能,能量密度是暗能量的10120 倍）.对于暗能量可能是什么,物理学家有了一些想法,但至今仍然纯属推测.简而言之,对于暗能量,我们几乎可以说是一无所知.不论暗能量可能是什么,研究人员正在着手进行一系列雄心勃勃、耗资巨大的地面和空间探测任务,用来寻找暗能量并测定它的性质.对许多人来说,这是现代宇宙学面临的最艰巨挑战.光明之路
如果我们生活在一个足够巨大的宇宙巨洞内部,解释超新星观测数据就可以完全不需要暗能量.
在传统宇宙学描述中,宇宙膨胀指的是宇宙作为一个整体发生的膨胀.就如同谈论一个正在充气的气球：我们说气球充到了多大,指的是整个气球的大小,而不会具体到气球上每一小块膨胀了多少.不过,我们都在聚会场合见到过一些奇形怪状的气球,它们的膨胀并不均匀.比如长条状气球充气时,侧边上的一圈会迅速膨胀,然后鼓起来的部分才会向长条的另一端延伸过去.在抛弃宇宙学原理的另一种宇宙学观点中,空间也能够不均匀膨胀.一幅复杂得多的宇宙图景就此浮出水面.
我们不妨看一看下面这种模型,这是南非开普敦大学（University of Cape Town）的乔治-埃利斯（George Ellis）、查尔斯-赫拉比（Charles Hellaby）和纳齐姆-穆斯塔法（Nazeem Mustapha）最先提出,后来被法国巴黎－默东天文台（Paris-Meudon Observatory）的玛丽-诺埃勒-塞莱里耶（Marie-Noelle Célérier）进一步发展的：首先,假设宇宙各处膨胀都在减速,因为物质总是在吸引时空,阻止它向外膨胀；然后,假设我们居住在一个超级庞大的宇宙巨洞（cosmic void）之中――巨洞内部并非空无一物,只不过平均物质密度仅为其他地方的一半甚至三分之一.一块空间区域越是空旷,内部包含的、能减缓空间膨胀的物质就越少；因此,巨洞内部的膨胀速度要比其他地方更快――正中央膨胀最为迅速,越靠近边缘膨胀越慢,因为巨洞外密度较高的区域在边缘附近已经开始发挥作用了.任何时刻,空间不同部分的膨胀速度都不相同,就像那些奇形怪状的气球充气时膨胀不均匀一样.
设想一些超新星在这个不均匀宇宙中的不同位置爆发,有些靠近巨洞中心,有些靠近巨洞边缘,还有一些位于巨洞之外.如果我们靠近巨洞中心,一颗超新星距离我们越远,它周围空间的膨胀速度就越慢.它发出的光在向我们传播的过程中,所经区域的膨胀速度会越来越快.光经过每一块区域,空间膨胀都会把光波拉长一点,这种效应累积起来产生了我们观测到的红移.光在这样一个宇宙中传播一定距离后产生的红移,要比在以相同速度（即我们周边的膨胀速度）整体膨胀的宇宙中产生的红移略低一些.反过来,光在这样一个宇宙中要达到一定的红移,它的传播距离就必须比膨胀速度一致的宇宙里光的传播距离更长――也就是说,这颗超新星必须离我们更远,因而看起来更暗.
换句话说,这个模型把膨胀速度的变化从时间上转移到了空间上.通过这种方式,宇宙学家不需要引入暗能量,就能解释超新星亮度暗于预期这一观测事实.为了让这套另类解释行得通,我们必须生活在一个真正达到宇宙尺度的巨洞之中.超新星观测的范围已经延伸到几十亿光年之外,占据了整个可观测宇宙中很大的一部分.要想解释这些观测数据,巨洞的大小就必须达到类似的尺度.无论以谁的标准来看,这都足够称得上巨大了.