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暗能量之谜

爱因斯坦虽然是上世纪初物理学两大革命的重要带头人,但他的物理观念却基本上是经典的。他对光电效应的解释,促成建立了量子理论,但他对量子理论一直心存芥蒂,不愿认同。爱因斯坦与波尔之间著名的“世纪之争”,以及他提出的质疑量子理论的EPR佯谬,影响一直延续至今。

广义相对论被爱因斯坦认为是他的最得意之作,其中他将引力与时空几何性质相联系,建立了著名的爱因斯坦引力场方程,但他对该方程解出的结果却屡屡怀疑,迟迟不肯承认。例如,史瓦西找到了方程的球对称解析解,引出了后来的黑洞概念。虽然那时候还没有黑洞这个名词,但爱因斯坦从不相信会有这样的怪物存在。又如,弗里德曼导出的方程为宇宙演化模型(大爆炸)建立了坚实的理论基础,爱因斯坦开始也一度怀疑弗里德曼算错了。

威廉·德西特。图片来自网络

除了史瓦西和弗里德曼之外,得到引力场方程精确解的重要人物中,还有一个叫做威廉·德西特(Willem de Sitter,1872年-1934年)的荷兰天体物理学家。他解出的德西特时空与宇宙常数有关。

德西特可谓暗物质和暗能量研究的理论先驱,尽管在他有生之年从未听过这两个名词。他曾经与爱因斯坦共同发表有关宇宙中存在“看不见的”物质的论文;他从引力场方程得到的德西特时空则是目前公认的解释暗能量的最佳候选者。

宇宙学常数L是个怪物,当初爱因斯坦引进它只是为了使他的方程的解维持一个稳定静止的(牛顿力学式的)宇宙图像,那是当时科学家们所公认的。我们知道,爱因斯坦方程(图4-3-1)最直观的物理意义是“物质决定时空几何”:方程的右边代表物质,左边代表几何。如图4-3-1所示,爱因斯坦最开始时将含有宇宙学常数L的一项放在方程左边,仅仅将它当作一种数学方法,以消除时空的不稳定因素而企图保持时空稳定。

图4-3-1:引力场方程(爱因斯坦方程)

当年的德西特教授反应很快,立刻就为包含宇宙常数的引力场方程找到了一个精确解。不过,这个解令爱因斯坦目瞪口呆,因为该解适合的条件是时空中什么也没有,这个解是令方程右边的能量动量张量完全为零,仅仅保留左边的宇宙常数L相关项而得到的。换言之,德西特的解似乎说明,没有物质,却产生了时空弯曲的几何。这显然没有物理意义。

于是人们认为,宇宙常数项应该放到方程的右边,作为某种类似于物质或能量的贡献。目前物理界认同的说法是:它产生于真空涨落,是属于方程右边代表“物质”的能量动量张量的一部分。实际上,爱因斯坦方程中的能量动量张量除了通常意义下的有静止质量的物质之外,本来就应该包括所有的能量在内,根据量子场论的理论,真空不空,具有能量,是物质存在的一种状态,宇宙学常数便与此能量有关,被称之为暗能量。

图片来自网络

有趣而古怪的宇宙学常数多次困惑爱因斯坦,也曾经给宇宙学家们带来反复多变的疑难。场方程中的这一项似乎可有可无,开始时,物理学家们和爱因斯坦一样,根据天文观测的实际数据来调整它的正负号,决定对它的取舍。比如,在1998年以前,人们认为宇宙是在减速膨胀,不需要宇宙常数这一项,便将它的值设为0。但大家又总是心存疑问,所以,那时候的“宇宙常数问题”是为什么宇宙常数是零?1998年的观测事实证明了宇宙是在加速膨胀,这下好了,宇宙常数不应该是零了!物理学家们将它请回来,用以解释宇宙为什么加速膨胀。但是,问题又来了:这个宇宙常数到底是个什么东西?它为什么不是零?

虽然物理学家们暂时将宇宙常数解释为真空能量,但怎样计算真空能量密度却是物理学中尚未解决的一个大问题。如果把真空能量当作是所有已知量子场贡献的零点能的总和的话,这样得出来的结果比天文观测得到的宇宙常数值大了120个数量级!并且,观测得到的宇宙常数值与现在的物质能量密度有相同的数量级,使人感觉更可信。但从理论上而言,真空能应该如何计算呢?这是又一个宇宙学常数相关的疑难问题。

总而言之,宇宙学家们对宇宙常数颇有兴趣,其原因是因为它代表的是一种“排斥”类型的引力。我们知道,电磁作用中的电荷有正有负,因而电磁力既有吸引作用也有排斥作用。但由普通物质的质量产生的引力却只有吸引绝不排斥。没有宇宙常数的参与,人们无法解释宇宙的加速膨胀。读者可能还记得,在第八章讨论弗里德曼的宇宙模型时,影响宇宙尺度变化的4种物质密度中(公式8-1),只有与宇宙常数相关的那一项才能产生指数式的加速膨胀,其他密度的贡献都只能使宇宙减速膨胀。加速膨胀的效应只可能由具有“负压强”的真空能量产生。

所以,宇宙常数变成了“暗能量”的同义词,但我们对暗能量知之甚少,当下的宇宙常数疑难也就是暗能量疑难。

根据普朗克卫星提供的数据,暗能量在宇宙的物质成分中占了百分之七十左右,暗物质有百分之二十六左右,留下的百分之四才是我们熟知的普通物质。天文学家是如何得到这些数值比例的?

普朗克卫星。图片来自网络

这确实是一个有意思的问题。想想平时是如何得到各种物质材料质量之比的,我们使用的是天平或者“秤”。可是,普朗克卫星又不能把天体拿到“秤”上去称,它报告的物质比例从何而来呢?

在天文学中估算天体质量时,人们利用的是在引力理论基础上建立的各种数学模型,无论是行星、恒星、星系,以及各种天文现象,都有其相应的数学模型。这些模型,便是“称量”宇宙的秤。数学模型中有许多未知的参数,需要由天文观测的数据来决定。普朗克卫星主要是通过测量微波背景辐射中的细微部分来获得这些参数,然后,研究人员将这些数据送入计算机,解出数学模型,最后得到各种成分之比例。

这是一个相当复杂的过程,包括了很多物理理论、数学知识、计算技术、工程设计等等方面的知识。就物理概念的大框架来说,科学家们大概用如下方法估计这个比例。

根据观测星系中恒星旋转速度与理论计算之差距,以及以引力透镜的效果,可以计算星系中暗物质相对于正常物质的比值。天文学家早有方法计算宇宙中“明”物质的总质量。然后,从“明暗”物质的比例便能算出宇宙中暗物质的总质量。

图片来自网络

从宇宙学的角度,天文学家有两种方法估计“宇宙的总质量”。一是从宇宙膨胀的速度和加速度,二是根据宇宙的整体弯曲情况。

宇宙学研究宇宙的大尺度结构和形态,用来估算宇宙作为一个整体的曲率和形状:宇宙是开的,还是闭的?是像球面、马鞍面、还是平面?这个整体模型涉及到一个“临界质量”。如果宇宙的总质量大于临界质量,比较大的引力效应使得宇宙的整体形状成为球面;如果宇宙的总质量小于临界质量,引力效应更弱一些,宇宙的整体形状是马鞍面;如果宇宙的总质量等于临界质量,则对应于整体平坦的宇宙。

根据宇宙学得到的天文观测资料,宇宙在大尺度范围内是平坦的,说明宇宙的总质量大约等于临界质量。

但是,从宇宙加速膨胀得到的宇宙总质量,或者考虑平坦宇宙应该具有的临界质量,都大大超过观测所估计的“明暗物质”之总和。物理学家提出的“暗能量”,便可以解释这个宇宙组成中所缺失的大部分。如此便算出了刚才所说的各种物质的比例。

图片来自网络

暗能量像是存在于宇宙中的一种均匀的背景,在宇宙的大范围中起斥力作用,加速宇宙的膨胀,但是,在严格意义上,又不能将它说成是一种通常意义下的斥“力”,因此,只能称其为能量。而在现在的物理理论中,也不见具有如此秉性的“能量”,因而称其为“暗能量”。

人们容易将暗物质和暗能量混淆。并且,根据爱因斯坦的质能关系式:E=mc2,质量和能量可以看作是物质同一属性的两个方面,那么,为什么还要将两种暗货区别开来呢?其中原因很难说清,基本上还是因为我们尚未明白它们到底是什么?

因为暗物质和暗能量两个概念在本质上有所区别,因此在宇宙中的具体表现也大不相同。暗物质吸引,暗能量排斥。暗物质的引力作用与一般普通物质之间的引力一样,使得它们彼此向内拉,而暗能量却推动天体互相向外分离。暗物质的影响表现于个别星系,而暗能量仅仅在整个宇宙尺度起作用。

图片来自网络

可以用一句话如此总结宇宙不同成分的作用:宇宙由明物质和暗物质组成,因暗能量而彼此分开。暗质量增加宇宙中的质量,使得天体互相拉近。而暗能量将宇宙尺寸扩张,使得其间的天体互相分离。在宇宙演化的138亿年中,这两种作用不停地进行“拉锯战”。

尽管我们还不知道暗物质究竟由什么构成,也不清楚暗能量的作用机制,但通过天文观测的结果,对它们已经有所认识。比如说,天文学家们可以模拟暗物质的引力效应,研究它们如何影响普通物质,一般来说,暗物质的运动速度大大小于光速。构成暗物质的粒子应该是电中性的,也许具有很大的质量。

(摘自《永恒的诱惑:宇宙之谜》,作者:张天蓉)

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