物質(zhì)與時(shí)空摩擦產(chǎn)生暗能量？

石無魚

暗能量之謎

近些年，在物理學(xué)上有些事情是比較棘手的，比如暗能量。

我們認(rèn)識暗能量已經(jīng)有一些年頭了。1998年，天文學(xué)家在觀察遙遠(yuǎn)的超新星時(shí)，發(fā)現(xiàn)它們比預(yù)期的要暗。在一個(gè)還在膨脹的宇宙中，雖然隨著超新星和我們的距離在增加，它們的亮度注定是要衰減的，但它們還是暗得太快了一點(diǎn)。這只能用宇宙膨脹在加速來解釋。

必定存在一種神秘的東西，是它踩了宇宙加速膨脹的“油門”?？茖W(xué)家把這種未知的東西叫做暗能量。暗能量大約占了宇宙總量的三分之二。根據(jù)近年來的觀測顯示，它應(yīng)該均勻地分布在整個(gè)宇宙，其能量密度僅相當(dāng)于每立方米6個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量。搞清暗能量是什么，是當(dāng)前物理學(xué)上的最大課題之一。

對于物理學(xué)家來說，最簡單的辦法是把暗能量解釋為真空能。因?yàn)樗麄兒茉缇椭溃鶕?jù)量子力學(xué)，真空中充滿著各種此起彼伏的量子場，因此真空也是有能量的。但隨后的計(jì)算卻表明，真空能要比暗能量大差不多120個(gè)量級。這么大的差距，當(dāng)然是無法接受的。

遇到這種情況，許多人就放棄這種設(shè)想了。但依然有不少人在頑強(qiáng)地通過修正理論來縮小這個(gè)距離。最近有人聲稱，暗能量并非宇宙中某個(gè)真實(shí)存在的實(shí)體，它僅僅是物理學(xué)家們在記錄宇宙能量收支平衡時(shí)，之前被他們忽視了的某種東西。

但要理解這一點(diǎn)，不得不假設(shè)：我們通常意義上理解的能量守恒，不是任何情況下都成立的。

對能量守恒的質(zhì)疑

這個(gè)假設(shè)可謂石破天驚。你不妨想一想，科學(xué)上定律、原理那么多，可是有哪一條比能量守恒定律更根本、更顛撲不破呢？事實(shí)上，能量守恒不僅通過了無數(shù)次實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)（見拓展閱讀“能量守恒為我們做過些什么？”），還跟物理學(xué)上最基本的一個(gè)對稱聯(lián)系在一起。

早在20世紀(jì)初，數(shù)學(xué)家艾米麗·諾特就已證明，物理定律的每一種對稱性，都對應(yīng)一條守恒定律。例如，空間平移對稱性導(dǎo)致動(dòng)量守恒定律，時(shí)間平移對稱性導(dǎo)致能量守恒定律。時(shí)間（空間）平移對稱，通俗地說，就是物理規(guī)律不隨時(shí)間（空間）的變化而變化。比如眾所周知，沒有哪條物理定律的有效性會(huì)有一個(gè)截止日期。

不過，對能量守恒的質(zhì)疑也并非今日始。之前物理學(xué)家就從微觀和宏觀兩方面提出過質(zhì)疑。

就微觀方面來說，量子理論認(rèn)為，真空并非真的空無一物，里面其實(shí)充滿了許多虛粒子；這些虛粒子可以從真空中暫時(shí)借得一部分能量，以獲得“肉身”，旋即湮滅，又把能量歸還真空。雖然從大的時(shí)間尺度來看，能量似乎還守恒，但從非常小的時(shí)間尺度來看，能量守恒顯然被破壞掉了。

就宏觀方面來說，廣義相對論告訴我們，光在強(qiáng)引力場中傳播時(shí)，波長會(huì)被拉長，此即引力紅移。但是我們知道，光子的能量跟波長成反比，波長變長，豈不意味著光子的能量下降？可是，光在真空中傳播，并沒有什么東西偷走能量呀？所以在這里，能量守恒也被破壞了。

物質(zhì)和時(shí)空如何交換能量？

不過，物理學(xué)家又說，這一切都只是表面現(xiàn)象。能量之所以不守恒，是因?yàn)槲覀冎皩δ芰康睦斫馓M隘。在來自微觀方面的質(zhì)疑中，因?yàn)檎婵找彩怯心芰康?，一旦考慮真空能，總能量還是守恒的。在來自宏觀方面的質(zhì)疑中，廣義相對論早就告訴我們，當(dāng)時(shí)空被彎曲或平攤開來的時(shí)候，能量就會(huì)被吸收或者釋放出來。所以，發(fā)生紅移的光子，損失的能量必定是被彎曲的時(shí)空吸收了。一旦計(jì)及它周圍時(shí)空的能量變化，總能量也還是守恒的。

這么一來，似乎又無話可說了。不過，能量在物質(zhì)之間相互交換，是好理解的，但它是如何在物質(zhì)和時(shí)空之間交換的呢？譬如發(fā)生紅移的光子，是如何把自身的能量傳遞給周圍時(shí)空的？

法國物理學(xué)家希伯特·羅賽特試圖來解決這一問題。他認(rèn)為，秘密或許就藏在廣義相對論和量子力學(xué)交叉的地方。

這個(gè)既涉及廣義相對論，又涉及量子力學(xué)的地方，本應(yīng)以統(tǒng)一的量子引力理論為奧援，可惜該理論至今付之闕如。一個(gè)重要原因是，量子力學(xué)和相對論的時(shí)空觀，有著巨大的差異。相對論認(rèn)為，時(shí)間和空間都是連續(xù)的、平滑的；然而量子力學(xué)卻認(rèn)為，萬物都是分立的、一份一份的，倘若深究下去，甚至連時(shí)空本身也是如此。

我們迄今描述物理現(xiàn)象，都假設(shè)時(shí)空是光滑的、連續(xù)的。相對論告訴我們，任何一個(gè)有質(zhì)量的物體，甚至一個(gè)微觀粒子，都會(huì)讓它周圍的時(shí)空發(fā)生扭曲，扭曲程度依它的質(zhì)量而定（比如，黑洞把它所在的空間就扭曲成了一個(gè)漏斗形）。但倘若時(shí)空真是顆粒狀的，當(dāng)然對置身其中的物體會(huì)產(chǎn)生影響。就好比一個(gè)鐵球，在一塊厚毯子上滾動(dòng)，從遠(yuǎn)處看，它滾到哪兒，哪兒就陷下去，但從近距離看，你會(huì)發(fā)現(xiàn)毯子表面并非光滑，而是由一根根直豎的、蜷曲的細(xì)毛組成的，鐵球在運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到細(xì)毛的阻擾而損失能量。羅賽特說，顆粒狀的空間對于運(yùn)動(dòng)粒子來說，就好比摩擦力，粒子的能量通過這種形式，傳遞給了“毛茸茸”的空間。

暗能量新說

如果這個(gè)設(shè)想對頭，那么自大爆炸以來，宇宙中的物質(zhì)就在持續(xù)不斷地喪失能量。固然，對于單個(gè)粒子來說，損失的能量是非常之微小的，用目前的設(shè)備根本無法探測，但考慮到宇宙之大，之久，這些積累起來的能量必定非常可觀，足可用來解釋暗能量的起源。換句話說，暗能量不是別的，就是物質(zhì)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，被時(shí)空損耗并吸收的能量。

羅賽特做了一下計(jì)算，如果把宇宙中不包括暗能量在內(nèi)的物質(zhì)總能量，比作一個(gè)10×10×10立方千米的水體，那么每年損耗的能量，僅相當(dāng)于一個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量。把自大爆炸以來損耗出去的能量全部加起來，跟天文上觀測到的暗能量比較，差距從原先的120個(gè)量級縮小到7個(gè)量級。他認(rèn)為，如果把他的理論進(jìn)一步精細(xì)化，差距或許還會(huì)縮小。

當(dāng)然，這個(gè)理論也并非沒有爭議。首先，物理學(xué)家要想搞清楚粒子尺度上與時(shí)空有關(guān)的事情是很困難的，因?yàn)樵谔祗w層面上行之有效的廣義相對論，在此失效了。其次，羅賽特理論中的另一個(gè)假設(shè)，即時(shí)空是顆粒狀的，盡管在科普文章中已經(jīng)很流行，但在科學(xué)上遠(yuǎn)未得到證實(shí)。所以，要搞清暗能量的真實(shí)來源，恐怕還是需要等待把量子力學(xué)和廣義相對論結(jié)合起來的統(tǒng)一理論。

拓展閱讀

能量守恒為我們做過些什么？

我們不論朝哪兒看，能量看起來似乎都在創(chuàng)生或消滅：落體獲得速度；潮汐漲了落，落了漲；被消化的食物似乎不見了……

但每一次，只要我們堅(jiān)信能量既不能創(chuàng)生，也不能消失，總是守恒的，就總看透這些表面現(xiàn)象，為我們增加新的認(rèn)識：物體從地面升起，就獲得引力勢能；海洋的水受月球引力的作用；食物被轉(zhuǎn)化成了我們體內(nèi)的肌肉和脂肪……

出于同樣的道理，石頭在地面滑行，速度越來越慢，讓達(dá)·芬奇發(fā)現(xiàn)了摩擦力。19世紀(jì)，法國天文學(xué)家奧本·勒維耶結(jié)合能量守恒定律和觀測數(shù)據(jù)，使他預(yù)言了海王星的存在。焦耳等一批物理學(xué)家，用能量守恒定律證明，熱量只是另一種形式的能量。愛因斯坦的質(zhì)能方程則證明，原子彈爆炸所產(chǎn)生的巨大能量，都儲(chǔ)存在原子的質(zhì)量上。

也許最讓人印象深刻的是中微子的發(fā)現(xiàn)。1930年，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，放射性原子能夠發(fā)射電子，但在這一過程中，能量似乎莫名其妙地變少了。當(dāng)時(shí)，像玻爾這樣的大物理學(xué)家都猜測，或許在這一過程中，能量不再守恒了。但奧地利物理學(xué)家泡利卻堅(jiān)持認(rèn)為能量是守恒的，只是被某種不可見的新粒子帶走了。最后實(shí)驗(yàn)證實(shí)泡利的想法是正確的，新發(fā)現(xiàn)的粒子被命名為中微子。能量守恒定律再一次被證明是正確的。