上天入地，看暗能量往哪里躲！

Stephen+Battersby

自打發(fā)現(xiàn)有一種神秘的東西在把宇宙扯開，這15年來我們一直在絞盡腦汁。但我們仍然不知道它是什么。它無處不在，卻又無法被看見。它在宇宙成分中占據(jù)了超過三分之二，但我們不知道它從何而來，又由什么構成。美國加州理工學院的理論物理學家肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）說：“大自然還沒有準備好向我們透露任何有關的線索?！?/p>

不過，至少我們?yōu)檫@種最神秘的東西起了個名字：暗能量?，F(xiàn)在，對它的追捕正在進行。2013年年底，天文學家將啟動一項新的巡天，在爆炸的恒星和古老的星系團之間尋找這些東西的跡象。一系列的空間任務和地面上的巨型望遠鏡很快也會加入其中。同時，一些物理學家正在探求一個非正統(tǒng)的想法：在實驗室里誘捕暗能量。

迄今為止，我們對暗能量仍知之甚少，所知的或許只限于3點。

第一，暗能量是向外推的。1998年，我們首次留意到了這一點，因為我們發(fā)現(xiàn)某一類超新星爆炸的亮度暗得出乎意料，說明它們的距離遠過我們的預期?？臻g似乎從某個時刻起開始了加速膨脹，就好像有一種斥力抵御著物質間的引力在向外推動一樣。

第二，暗能量大量存在。星系的運動和成團能告訴我們宇宙中有多少物質，而大爆炸后38萬年時發(fā)出的宇宙微波背景輻射，則向我們透露了宇宙中物質和能量的總密度。這第二個數(shù)字要比第一個大得多。根據(jù)最新的觀測數(shù)據(jù)，包括歐洲空間局普朗克衛(wèi)星的微波觀測，宇宙中大約68%的成分是以非物質的、表現(xiàn)為斥力的能量形式出現(xiàn)的。在每立方千米的空間中大約有1焦耳。

第三，暗能量讓物理學家富于創(chuàng)造力的思維充滿了活力。他們已經提出了數(shù)百種不同且充滿想象力的理論。

其中最平淡的，當屬宇宙學常數(shù)，不過即便如此，它仍屬于“狂野之物”。它是空間固有的能量密度，在愛因斯坦的廣義相對論下會產生斥力。隨著空間膨脹，它會越來越多，使得它的排斥力超過因物質日益分散而逐漸變弱的引力。粒子物理學甚至為它提供了一個起源：在充滿了不確定性的量子真空中不斷出現(xiàn)和消失的虛粒子。但問題是，這些粒子的能量太多了——根據(jù)最簡單的計算，每立方千米含有的能量約為10120焦耳。

這一災難性的差異，為琳瑯滿目的其他替代理論留下了生存空間。比如說，暗能量有可能是“第五元素”（quintessence，又譯作“精質”），一種假想的能量，能滲透進空間，隨時間改變，甚至能在不同的地方聚集。它也可能是一種經過修改的引力，在遠距離上表現(xiàn)為斥力。又或者，它是地球在宇宙中所處的特殊位置造成的錯覺。暗能量還可能是波長比可觀測宇宙大萬億倍的無線電波，甚至有可能是更奇特的東西。

“許多聰明人都試圖構想出比宇宙學常數(shù)更好的東西，或者去理解為什么宇宙學常數(shù)具有如此的數(shù)值，”卡羅爾說，“大致說來，他們都失敗了?！?/p>

黑暗降臨

觀測暗能量是否會隨時間變化，是做出裁決的一種方式。如果它確實隨時間演化，宇宙學常數(shù)就可以排除了：作為空間的固有特性，它的密度應該保持不變才對。與之相反，在大多數(shù)“第五元素”模型中，隨著空間的膨脹，暗能量會慢慢地稀釋——不過在一些模型中，它實際上會增強，加速宇宙的膨脹。在大多數(shù)修改引力的理論中，暗能量的密度也會變化。它甚至可以先上升后下降，或者反過來。

宇宙的命運完全取決于這一平衡。如果暗能量保持穩(wěn)定，宇宙就會加速膨脹，把我們變成一個孤立小島，跟宇宙的其他部分隔絕開來。如果暗能量會增強，最終可能就會把所有物質全部“撕碎”，甚至連空間結構都變得不再穩(wěn)定。根據(jù)對超新星的觀測，我們今天最佳的估計是，暗能量的密度相當穩(wěn)定。有一種觀點認為，暗能量正在緩慢增強，但不確定性太大，目前我們還不必擔心這一增長。

從2013年9月起，一個名為“暗能量巡天”的國際項目將開始收集數(shù)據(jù)，旨在進一步了解暗能量。位于智利托洛洛山美洲天文臺口徑4米的維克托·布蘭科望遠鏡，以及一個專門設計的紅外照相機，將在廣大的天區(qū)中尋找暗能量的若干跡象。該項目主管——美國芝加哥大學的喬舒亞·弗里曼（Joshua Frieman）說：“雖然不是世界上最大的望遠鏡，但它的視場非常大。”

這臺望遠鏡將捕獲更多的超新星。每一場恒星爆炸的視亮度（就是在我們看來它有多亮），都能告訴我們它們發(fā)生在多久之前。這些光向我們傳播的過程中，波長會因空間的膨脹而被拉長，也就是紅移。把這兩樣東西結合起來，我們就能測出宇宙如何隨時間膨脹。

這項巡天還將繪制一幅復雜的天圖，會標出幾億個星系的位置以及它們到我們的距離。在宇宙的嬰兒時期曾經在宇宙中回蕩的聲波，給巨大的超星系團賦予了一個特征尺度。通過測量超星系團的視大?。ň褪窃谖覀兛磥硭卸啻螅?，我們可以從一個新的視角來回顧宇宙膨脹的歷史。

放眼天空

這份天圖還將揭示暗能量對較小尺度的影響。暗能量會阻礙星系聚集形成星系團。巡天項目組將直接對星系團進行計數(shù)，還會借助引力透鏡效應追蹤它們的成長。引力透鏡是星系團彎曲更遙遠的天體發(fā)出的光線時出現(xiàn)的一種現(xiàn)象。

這些不同的測量，應該能給我們提供一些線索，透露暗能量是否會隨時間而變——如果確實會變的話。弗里曼說，他們的巡天可以把現(xiàn)有結果的誤差范圍減小到1/4。到2016年，巡天的初步分析結果公布時，他們就能開始甄別一些不同的理論模型了。

一個完整的暗能量獵手團隊，將在幾年之后組建完畢。由美國主導的大口徑全天巡視望遠鏡（Large Synoptic Survey Telescope）將在2021年睜開它的巨眼。其他巨型望遠鏡，比如位于夏威夷的30米望遠鏡（Thirty Meter Telescope），以及同在智利的歐洲特大望遠鏡（European Extremely Large Telescope）和巨麥哲倫望遠鏡（Giant Magellan Telescope），都將在大約同一時間投入使用。在澳大利亞和南非興建的巨型射電接收器——平方千米陣也會加入它們的行列。通過觀測氫云的射電輻射，平方千米陣可以追蹤宇宙的結構。到2020年，歐洲空間局和美國宇航局計劃發(fā)射一顆名為“歐幾里得”（Euclid）的暗能量探測衛(wèi)星，能夠觀測宇宙更早時期的引力透鏡和星系成團。美國的大視場紅外巡天望遠鏡或許會緊隨其后。

這場穿越空間的暗能量圍獵將會驚心動魄，但獵物仍有可能會逃之夭夭。比方說，我們也許會發(fā)現(xiàn)，暗能量的密度隨著時間的推移幾乎保持恒定。這看起來似乎支持了宇宙學常數(shù)，但它并不能排除一部分“第五元素”的理論，因為那些理論中的“第五元素”恰好具有幾乎恒定的密度。況且，就算我們發(fā)現(xiàn)暗能量密度確實在增長或者降低，我們可能也無法分辨，這種變化到底是由于“第五元素”，還是出自某種隨時間變化的引力。

于是，一些物理學家提出，在地球上設置“陷阱”來誘捕暗能量。英國諾丁漢大學的克萊爾·伯雷奇（Clare Burrage）說：“如果你引入一種新的場或者粒子，來充當你的暗能量，那么它們也將成為載體，傳遞一種新的作用力。”類似“第五元素”的東西，會產生有別于引力、電磁力、弱核力和強核力的第5種基本作用力?！暗?，我們在太陽系里沒有看到第5種力，”伯雷奇說。

理論學家擺脫這一癥結的通常做法是，添加一個屏蔽機制，削弱密度相對較高的環(huán)境中（比如太陽附近）第五種力的強度。一個被稱為“GammeV”的項目已經在美國費米實驗室就位，已經開始搜尋一種被屏蔽的特殊暗能量，也就是所謂的“變色龍”。

到目前為止，GammeV仍然一無所獲，不過現(xiàn)在，伯雷奇打算搜尋更大范圍內的暗能量，靈敏度也要更高。她和英國諾丁漢大學的同事埃德蒙·科普蘭（Edmund Copeland）及英國倫敦帝國學院的埃德·海因茲（Ed Hinds）合作，想利用處于玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的低溫原子團來暴露暗能量的蹤跡。這種低溫原子團會像一個整體那樣，在量子波動中振蕩。暗能量應該會略微降低這種振蕩的頻率。這個研究團隊計劃把一團凝聚物一分為二，在其中之一附近放置一個高密度物體。如果物體屏蔽了暗能量，兩個“半團”凝聚物中的波就會脫離同步，再把它們重新放在一起時，兩者就會發(fā)生干涉。

電效應

在美國西雅圖的華盛頓大學，E?t-Wash扭擺實驗正在探測其他形式的宇宙斥力。有一種理論認為，尺度不到1毫米的空間額外維度可能為暗能量提供了容身之處。在這么小的尺度上，它或許還能夠增大引力的強度。一種被稱為“對稱子”（symmetron）的被屏蔽的“第五元素”，會在類似的小尺度上產生一個額外的作用力——如此微妙的效應，應該可以在E?t-Wash扭擺細微的扭動中顯現(xiàn)出來。

與此同時，美國普林斯頓大學的邁克爾·羅馬利斯（Michael Romalis）和美國達特茅斯學院的羅伯特·考德威爾（Robert Caldwell）在2013年提出，如果普通光子或電子能夠感受到哪怕極其微弱的“第五元素”，那么地球上的磁場就應該會產生一個微小的靜電電荷。這種有可能很容易探測，當然任何專門為此設計的設備都必須非常精密才行。

卡羅爾指出，我們還有可能會在太空中看到另一種電磁效應。如果光子與暗能量相互作用，當它們在宇宙中穿行時，光子的偏振就會發(fā)生旋轉。他說，如果普朗克團隊在幾年后宣布測量到宇宙微波背景輻射光子的偏振，“可以想象他們會宣布，他們已經探測到了‘第五元素?！苯酉聛恚覀兓蛟S會坐立不安地再等上十幾年，等那些望遠鏡看清楚暗能量到底偏向哪一邊，然后我們才能夠松一口氣，確定我們周圍的空間不會坍縮成一種新的不健康的狀態(tài)。

很少有人認為，對暗能量的圍捕很快就會結束。美國俄勒岡大學的斯蒂芬·許（Stephen Hsu）說：“暗能量是最大的謎團之一，我不指望自己能夠活著看到它被攻克?！痹诶Щ罅?5年之后，對于暗能量是什么，我們仍然沒有任何線索。但光明的一面是，對于那些線索可能隱藏在哪里，我們已經有了一些線索。（來源：科學松鼠會，2013-12-15）