探測(cè)空間的基本單元

陳壯叔

20世紀(jì)20年代，美國(guó)天文學(xué)家哈勃在觀測(cè)遠(yuǎn)方星系時(shí)發(fā)現(xiàn)它們都在退行，即離我們而去。這說(shuō)明宇宙在膨脹。這是一個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)，是宇宙大爆炸學(xué)說(shuō)的一個(gè)重要觀測(cè)證據(jù)。

人們一直以為，因?yàn)橐ψ饔?，宇宙膨脹的速度?yīng)逐漸放緩，可是20世紀(jì)90年代末對(duì)超新星的觀測(cè)表明，膨脹在加速?？茖W(xué)界認(rèn)為，這是因?yàn)橛钪嬷写嬖谝环N過(guò)去未被發(fā)現(xiàn)的暗能量，它不可見(jiàn)，彌散分布，具有排斥的特性。2003年，威爾金森微波各向異性探測(cè)器公布了它對(duì)宇宙微波背景輻射的精確探測(cè)，證實(shí)宇宙中含4%的可見(jiàn)物質(zhì)、23%的暗物質(zhì)和73%的暗能量。

此時(shí)人們想到了愛(ài)因斯坦所說(shuō)的自己所犯的“最大的錯(cuò)誤”——宇宙常數(shù)。在愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論時(shí)，科學(xué)界的哲學(xué)思想普遍認(rèn)為，宇宙應(yīng)該處在恒穩(wěn)定之中。愛(ài)因斯坦之所以引入宇宙常數(shù)，是想以此來(lái)抵消宇宙的膨脹，保持宇宙的恒定不變。因此，當(dāng)哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙確實(shí)在膨脹時(shí)，愛(ài)因斯坦承認(rèn)自己失誤了。然而，這個(gè)常數(shù)現(xiàn)在倒是派上了用場(chǎng)，正好把它當(dāng)成暗能量。但事情真的如此簡(jiǎn)單嗎？

人們通常把彌散于空間中的暗能量視為肇事者，是因?yàn)樗拇嬖诎驯娦窍得黠@地推開(kāi)，而且它從未被觀測(cè)到，也未在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)產(chǎn)生過(guò)，因?yàn)樗鼜牟慌c光發(fā)生相互作用。

關(guān)于這一現(xiàn)象，目前的觀點(diǎn)很多，這里僅選擇其中的一種。這個(gè)觀點(diǎn)認(rèn)為，宇宙中充滿著所謂的“精華場(chǎng)”，而“精華場(chǎng)”對(duì)應(yīng)的粒子則被稱(chēng)為變色龍粒子。約50億年前，其場(chǎng)壓轉(zhuǎn)為負(fù)值，引起宇宙加速膨脹。研究者之所以選擇這一理論，是因?yàn)樗梢愿镔|(zhì)相互作用，也就可以在實(shí)驗(yàn)室里找到它。

宇宙學(xué)家由此提出，還有第五種自然力的存在（通常認(rèn)為是四種，即電磁力、強(qiáng)核力、弱核力以及引力），其力程隨周?chē)h(huán)境的不同而改變，故稱(chēng)之為“變色龍”。量子理論告訴我們，粒子的力程取決于該粒子的質(zhì)量。例如，電磁場(chǎng)產(chǎn)生的光子沒(méi)有質(zhì)量，故其力程是無(wú)限的。根據(jù)霍里和惠特曼等人的觀測(cè)，地面上空的物質(zhì)密度約為0.59克/立方厘米，而變色龍粒子的質(zhì)量約為中子的10-9，其力程不會(huì)超過(guò)1毫米。但在宇宙空間，物質(zhì)密度約為10-29克/立方厘米，變色龍粒子的質(zhì)量直跌22個(gè)數(shù)量級(jí)，其力程可以超過(guò)幾百萬(wàn)光年。

霍里等人認(rèn)為，最重要的是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由于變色龍粒子的第五種力是理論家推測(cè)得出的，如果按這種思路來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，取得成功的可能性是極大的。

一晃5年過(guò)去了，霍里觀點(diǎn)的支持者最近可能要發(fā)力了。

2014年8月，全球宇宙學(xué)家在芝加哥召開(kāi)大型會(huì)議（COSMO），討論粒子物理和宇宙學(xué)的問(wèn)題。

會(huì)議上，科學(xué)家首先圍繞兩種力展開(kāi)了爭(zhēng)論，它們都可能把宇宙拆散。一種是暴脹，它出現(xiàn)在大爆炸后的瞬間，使宇宙以冪級(jí)數(shù)快速膨脹（幸好它很快結(jié)束，才有我們今日之宇宙）；另一種就是暗能量，它在使宇宙加速膨脹。

2014年3月，BICEP2團(tuán)隊(duì)在宇宙微波背景上測(cè)得了圖譜，并認(rèn)為它可以證實(shí)的確發(fā)生過(guò)一次暴脹。但會(huì)上的科學(xué)家認(rèn)為，這一結(jié)果有待進(jìn)一步證實(shí)，因?yàn)樾窍祲m埃對(duì)微波信號(hào)的碰撞也會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似的圖譜。果然，在將這一圖譜與“普朗克”在同一天區(qū)獲得的數(shù)據(jù)做了疊加分析后，2015年1月，BICEP2團(tuán)隊(duì)宣布撤回他們的論文。

會(huì)議很快轉(zhuǎn)到暗能量的議題上。暗能量是因理論需要而提出的概念，它可以產(chǎn)生一種反引力（斥力），能夠解釋目前觀測(cè)到的加速膨脹。但對(duì)其性質(zhì)，我們可以說(shuō)是一無(wú)所知。

令COSMO感到欣慰的是，有關(guān)暗能量的最新研究可能表明，膨脹是一種時(shí)空本身的基本性質(zhì)。

變色龍的遮蔽

許多科學(xué)家認(rèn)為，暗能量是用反引力把宇宙推開(kāi)的。若果真如此，為何人們?cè)趯?shí)驗(yàn)室內(nèi)從未見(jiàn)過(guò)它？一種假設(shè)是，這個(gè)反引力僅適用于近真空的環(huán)境，在真空中它才會(huì)發(fā)揮作用。而我們太陽(yáng)系的空間具有較大的物質(zhì)密度，這個(gè)反引力被屏蔽了。

現(xiàn)在，C.巴策及和其同事已在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，尋找這種變色龍力。

巴策及說(shuō)，如果暗能量效應(yīng)（即變色龍力）只有在宇宙真空中才能被感覺(jué)到，那么同樣的效應(yīng)也有可能在一個(gè)真空室內(nèi)呈現(xiàn)出來(lái)。這個(gè)真空實(shí)驗(yàn)室是這樣的：室內(nèi)有一個(gè)穩(wěn)定的小球和含1000顆原子的云層。

巴氏小組打算用激光將真空室內(nèi)的原子推動(dòng)1毫米。當(dāng)這些原子運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們將受到地球引力的拉力和小球的拉力。這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以測(cè)出究竟是什么力在影響它們。因?yàn)檫@些原子的路徑將受到干擾，并在它們的最終量子態(tài)上表現(xiàn)出來(lái)。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)在還沒(méi)有開(kāi)始，巴氏小組希望美國(guó)國(guó)防部的量子GPS系統(tǒng)能夠提供一個(gè)特殊激光器。

不過(guò)，話說(shuō)回來(lái)，即使找到變色龍力，也并不意味著已找到暗能量，但這將解釋我們?cè)诰植靠臻g中探測(cè)暗能量的嘗試為何失敗。同時(shí)，也證明了屏蔽機(jī)制。

時(shí)空的量子

一項(xiàng)在芝加哥郊外小屋中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)可能說(shuō)明，暗能量是一種簡(jiǎn)單的時(shí)空特性，十分類(lèi)似于水分子相互作用時(shí)其行為在流體力學(xué)上的表現(xiàn)。

巴氏實(shí)驗(yàn)的參與者霍魯米塔說(shuō)，他們是在找時(shí)空的基本單位——“Jetter”。它的體積可能只是質(zhì)子的10-18。在量子尺度上，這些時(shí)空小微點(diǎn)的行為更像波而不是粒子。

這個(gè)理論說(shuō)，構(gòu)成空間的是波而不是點(diǎn)，萬(wàn)物皆處在微微的振動(dòng)之中，而不是固定在那里。芝加哥大學(xué)的克雷格·霍根目前正在做實(shí)驗(yàn)，嘗試根據(jù)霍魯米塔的設(shè)計(jì)測(cè)量Jetter。

他們讓兩條強(qiáng)激光束穿過(guò)長(zhǎng)40米的管道，管中懸掛著許多小鏡面。激光將測(cè)量沿路的鏡面位置。若時(shí)空是平滑的，并表明無(wú)量子行為，那么鏡面將完全處在平靜狀態(tài)；若兩條激光測(cè)得的鏡面位置具有同一個(gè)小差異，就意味著鏡面處在空間織物的起伏之中，被微微地?fù)u晃著。

霍根說(shuō)，從這一思想再跨出一步，時(shí)空的量子態(tài)跟物質(zhì)可能是相互糾纏的，因此你無(wú)法在不影響那個(gè)的情況下測(cè)量這個(gè)。

現(xiàn)在，我們最好的理論是用幾何學(xué)來(lái)描述時(shí)空，而用量子場(chǎng)來(lái)研究物質(zhì)?？茖W(xué)界正為把這二者結(jié)合起來(lái)而努力?；舾f(shuō)，若霍魯米塔能在實(shí)驗(yàn)中看到一些東西，將有助于達(dá)成這一目標(biāo)。在微觀尺度上，這兩種特性是合一的。單是時(shí)空的幾何學(xué)性質(zhì)，就應(yīng)使宇宙膨脹。

霍根在COSMO會(huì)議上發(fā)言說(shuō)，最初的結(jié)果表明霍魯米塔將最終測(cè)出空間量子的起伏。若如此，也就有可能收集足夠的數(shù)據(jù)，在較短時(shí)間內(nèi)做出較為全面的回答。這也就是說(shuō)，他們將測(cè)得Jetter。

大部分暗能量模型認(rèn)為，其數(shù)量應(yīng)該是一個(gè)常數(shù)。但10年前宇宙學(xué)家認(rèn)識(shí)到，其總密度正在變大，我們可能將面臨一個(gè)噩夢(mèng)——大撕裂。時(shí)空日益快速膨脹，物質(zhì)將被撕開(kāi)，這開(kāi)始于星系團(tuán)的離散，最終將是原子核的破碎。因此，宇宙學(xué)家又把暗能量稱(chēng)為“幽靈能量”。

為證實(shí)這些，密歇根大學(xué)的D.赫特轉(zhuǎn)而測(cè)量超新星Ia。這些巨星爆炸時(shí)具有同樣的亮度，因此可被當(dāng)作宇宙的量天尺，以探測(cè)天體間的距離。20世紀(jì)90年代末期，第一個(gè)說(shuō)明宇宙膨脹在加速的證據(jù)，正是通過(guò)超新星得到的。若超新星過(guò)去的離開(kāi)速度慢于現(xiàn)在，則說(shuō)明暗能量的密度可能正在增大。

赫特等人已將最新的超新星測(cè)量數(shù)據(jù)編輯成表。他們發(fā)現(xiàn)，在過(guò)去的20億年中，暗能量的密度略有增大，但這不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

“幽靈能量”是一個(gè)弱勢(shì)理論，其影響卻如此之大。赫特說(shuō)：“我們可能要完全修改關(guān)于暗能量的現(xiàn)行思想?！?/p>