天體物理奇景：暗物質與暗能量

李慶康

21世紀的今天，許多科學重大問題已基本解決，但人類對宇宙的認知仍是未知遠多于已知。譬如暗物質和暗能量，它倆就像籠罩于21世紀物理學晴空的“兩朵烏云”。

暗物質與暗能量是什么？它們是如何形成與演化的？時至今日，這些仍是科學難題。雖然國內(nèi)外有大量的研究想破解它們，但基本上都未有定論，這也預示著物理學需要一次重大的革命！

物理學天空的“兩朵烏云”

天體物理學是利用物理學的技術、方法和理論，研究天體的形態(tài)、結構、化學組成、物理狀態(tài)和演化規(guī)律的學科。因此，天體物理學本質上是物理學的一個分支，但從其研究對象來看更是天文學的一部分。因此，它是將天文學和物理學完美結合的交叉學科。

現(xiàn)代物理學的每次重大進步都對天體物理學起了巨大推動作用;同時，天體所具有的極端條件和特殊環(huán)境又為物理學提供了極好的天然實驗室。千百年來天文學的發(fā)展，充分印證了中國的古老諺語：“天外有天。”

1900年開爾文爵士把“黑體輻射實驗”和“邁克爾遜-莫雷實驗”的結果，喻為19世紀末經(jīng)典物理學美麗晴空中的“兩朵烏云”。正是這“兩朵烏云”為物理學帶來了革命性巨變。20世紀上半葉相對論和量子論的建立把物理學推向前所未有的高度。伴隨著物理學的巨大進展和天文觀測技術的極大改善，人類對宇宙的認知已是今非昔比。

1932年

奧爾特（Oort Jan Hendrik，荷蘭天體物理學家）指出，要解釋銀河系中恒星的軌道速度，需假定太陽附近存在著暗物質。

1933年

茲威基（Fritz Zwicky，瑞士天文學家）觀測室女星系團中的運動，認為星系團中存在大量暗物質。

1939年

巴布科克（Horace W. Babcock，美國天文學家）得到的星系旋轉曲線是暗物質存在的強有力的證據(jù)，但很遺憾他未將它歸因于暗物質。

20世紀60-70年代

魯賓（Vera Rubin，美國天文學家）和福特（Kent Ford，美國天文學家），首先利用星系旋轉曲線這一強有力的證據(jù)深入研究了暗物質。

后來，很多觀測結果表明：宇宙中不僅存在暗物質，而且是普通物質的若干倍。無論暗物質在宇宙中什么地方集結，普通物質都會如影隨形。普通物質在暗物質壓倒性的引力作用下，會無可抗拒地被吸引過去。這些普通物質形成了恒星、星系等。

物理之眼看“暗物質”

暗物質是什么？暗物質是如何形成的？暗物質是如何演化的？目前，這些問題把所有科學家都難住了。

如要徹底回答第一個問題，必須直接找到暗物質才能知道它是什么。根據(jù)已有的觀測證據(jù)，科學家指出暗物質是一種在宇宙年齡尺度上穩(wěn)定，不帶電荷，參與引力相互作用，但幾乎不參與電磁和強相互作用，目前尚未被認識的一種新物質。

既然暗物質幾乎不參與電磁和強相互作用，所以直接找到它是極為困難的。但科學家猜想，暗物質可能會與普通物質有某些微弱的相互作用、暗物質之間可能會碰撞和湮滅、普通物質之間的高能碰撞可能會撞出暗物質等，所以科學家正通過高能宇宙射線、地下深井實驗、高能粒子對撞實驗等方式尋找暗物質。

確實，目前國內(nèi)外有大量的實驗在尋找暗物質，但現(xiàn)在基本還沒有明確結果。所以，暗物質是目前籠罩在物理學晴朗天空中的一朵烏云。暗物質問題預示著物理學需要一次重大革命。

暗能量發(fā)現(xiàn)之旅

暗能量若與暗物質相比，更是不可思議，科學家對它的本質知之甚少。時間回溯到1929年，美國天文學家哈勃利用當時世界上最大的望遠鏡——加州威爾遜山天文臺的2.54米光學望遠鏡，首先發(fā)現(xiàn)遙遠星系以非常高的速度遠離地球，而退行速度與它們到地球的距離大致呈正比關系（即哈勃定律）。

根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，俄羅斯物理學家伽莫夫等人提出了大爆炸理論，認為宇宙是從一個極小體積、極高密度的點猛烈地向外膨脹，像發(fā)生了一次超級大爆炸而創(chuàng)生的。此后大爆炸理論又得到不同類型的天文觀測（比如宇宙微波背景輻射、宇宙元素豐度）的強有力支持。多年來，科學家們一直認為宇宙的膨脹是恒速的，或者因物質間萬有引力的作用，宇宙膨脹是越來越慢的。

1998年，澳大利亞天文學家施密特（Brain Schmidt）領導的高紅移超新星研究組（里斯在其中起到了至關重要的作用），以及1999年美國天文學家波爾馬特（Saul Perlmutter）領導的超新星宇宙學研究組，不約而同地利用了Ia型超新星作為“標準燭光”進行觀測。

他們都發(fā)現(xiàn)那些遠的Ia型超新星的亮度比預期更暗。這就要求宇宙在加速膨脹，只有這樣，那些Ia型超新星才會到達更遠的位置，它們才會更暗。根據(jù)愛因斯坦的引力場方程，從加速膨脹的現(xiàn)象能推論出宇宙中存在著壓強為負的“暗能量”。近年來，對宇宙微波背景輻射的深入研究，精確地測量出宇宙中物質的總密度。得到的結果是所有的普通物質與暗物質加起來大約只占物質總密度的1/3左右，還少了約2/3的物質。這一短缺的物質被稱為暗能量。

因此這兩方面的證據(jù)充分說明宇宙中有大量的暗能量，它在推動宇宙加速膨脹。因為通過觀測遙遠超新星發(fā)現(xiàn)宇宙的加速膨脹，2011年的諾貝爾物理學獎授予了波爾馬特、施密特和里斯。

2015年3月在雜志《科學》（Science）上的一篇文章中，來自普林斯頓大學（Princeton University）的天文學家大衛(wèi)·斯伯格（David Spergel）回顧了宇宙學家們是如何一步步確定我們是生活在看不見的物質和能量中的。研究者通過觀測星系、超新星以及宇宙溫度等得出一個結論，認為宇宙是一個不斷膨脹的均勻平面。但令人費解的是宇宙膨脹來自于一種暗能量，膨脹速度隨著時間推移不斷升高，抵消了重力的吸引力。斯伯格說，這個發(fā)現(xiàn)意味著如果你向上拋出一個球，你會發(fā)現(xiàn)球會不斷加速朝上飛去，最后消失在視線中。暗能量的基本特征是具有負壓（類似于一種反引力），它在宇宙中無處不在，密度幾乎保持恒定且?guī)缀蹙鶆蚍植肌Ｔ诤阈窍到y(tǒng)尺度、甚至星系尺度內(nèi)，引力或電磁力比暗能量導致的斥力作用要強得多，所以在這樣的尺度內(nèi)很難探測到空間膨脹。但是，當尺度達到星系團或更大時，暗能量的斥力就會超過引力效應。所以暗能量的作用要在非常大的尺度上才會凸顯出來。

超新星是恒星演化過程中的巨大災變現(xiàn)象。從觀測上來說，可分為I型和II型;從爆發(fā)機制來說，可以分為雙星中的白矮星的粉碎性轟爆和大質量恒星演化結尾的爆炸。超新星爆發(fā)時釋放出的能量可以照亮其所在的整個星系。

物理之眼看“暗能量”

暗能量是什么？它從何而來？由什么構成？它是否演化？從1998年至今，科學家絞盡腦汁試圖回答這些問題，其中一種模型認為暗能量就是宇宙學常數(shù)，它是真空的能量，在愛因斯坦的廣義相對論下會產(chǎn)生斥力。隨著空間膨脹，它會越來越多，使得排斥力超過因物質日益分散而逐漸變?nèi)醯囊?。但令人沮喪的是，根?jù)量子場論計算出的真空能的密度與觀測到的暗能量密度完全不符。

另一種模型認為暗能量可能是標量場（即能量密度隨時空變化的一個動力學場，如第五元素），是一種假想的能量，能滲透進空間，隨時間改變，甚至能在不同的地方聚集。也有模型認為暗能量也可能是一種經(jīng)過修改的引力，在遠距離上表現(xiàn)為斥力。當然，關于暗能量，還有很多其他模型。但現(xiàn)在所有模型都缺乏足夠的說服力。另一方面，一系列的空間和地面的先進設備正在或很快將開展探測，繼續(xù)尋找暗能量的蹤跡;一些科學家還希望在實驗室里利用短距離引力實驗，發(fā)現(xiàn)暗能量的線索。

斯伯格認為，要解決暗物質、暗能量問題僅靠觀測是不夠的，想要全面理解暗物質和宇宙加速還需要新的物理學理念，甚至是包含額外維度的全新引力理論。他說，“我們需要一個像廣義相對論那樣深刻的新理念來解開這些謎團。”

天文觀測為物理學提出了這兩個革命性的難題。要解決它們，必然需要天文學和物理學的緊密結合;必然需要出現(xiàn)另一個愛因斯坦，甚至是超越愛因斯坦那樣的天才。

正如愛因斯坦所言“宇宙最不可理解之處在于它是可以理解的”，相信人類最終會解決暗物質和暗能量問題的！

暗能量確實玄乎其玄，比暗物質更玄、更神秘。但是，暗能量實在是太重要了，它決定了宇宙的未來和結局，即宇宙的命運掌握在暗能量手中。

根據(jù)暗能量的特性，有人猜想宇宙的極端結局可能是“大擠壓（big crunch）” 、“大撕裂（big rip）”，或一片黑暗。1979年，諾貝爾物理學獎得主溫伯格（Steven Weinberg）曾說，如果不解決暗能量這個“路障”，我們就無法全面理解基礎物理學。

1957年諾貝爾物理學獎得主李政道也斷言，暗能量將是21世紀物理學面臨的最大挑戰(zhàn)。