宇宙在膨脹，幕后“推手”什么樣

蔡一夫 李春龍

暗能量的身份，一直是宇宙中最大的謎團之一，吸引科學家做了無數(shù)理論推測和研究。比如，科學家近日在《自然·天文》發(fā)表論文稱，利用錢德拉X射線天文臺和XMM-牛頓天文臺的數(shù)據(jù)進行的研究表明，暗能量很可能隨著宇宙時間的推移而增長。那么，這位宇宙中“大主角”的真實面目到底是什么？它為何這么重要？

專家名片

蔡一夫

2010年7月于中國科學院高能物理研究所獲得理學博士學位。2010年9月～2012年8月在美國亞利桑那州立大學完成第一期博士后;2012年9月～2015年5月在加拿大麥吉爾大學完成第二期博士后。2015年5月通過入選第十一批“千人計劃”青年人才引進回國，現(xiàn)任中國科學技術(shù)大學物理學院天文系教授。

李春龍

中國科學技術(shù)大學物理學院天文系碩士生，導師蔡一夫。

1.驚人發(fā)現(xiàn)：

宇宙加速膨脹是事實

1998年，兩個獨立的天文觀測小組利用宇宙中的Ia型超新星作為標準燭光，發(fā)現(xiàn)我們的宇宙正在加速膨脹。這是20世紀天文學最重要的發(fā)現(xiàn)之一。

20世紀初愛因斯坦建立起了一套基礎(chǔ)理論來描述我們生活的這個世界所遵循的萬有引力行為，這就是廣義相對論。在這個理論中，宇宙演化由引力場方程來描述。如果已知宇宙中的物質(zhì)種類，掌握一定的天文觀測結(jié)果，利用愛因斯坦引力場方程，便能求解出宇宙當前以及未來的演化狀態(tài)。不幸的是，所求解出來的結(jié)果并不代表一個現(xiàn)階段能加速膨脹的宇宙，這對我們所能掌握的事實構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。

為了解釋宇宙的加速膨脹現(xiàn)象，我們需要宇宙中有一種成分能夠提供一種可以視為“斥力”的相互作用。為了理解這一點，可以設(shè)想我們在地面向天空中拋出一顆石塊，由于地球?qū)κ瘔K的吸引作用，石塊的速度會越來越小，最終變?yōu)榱恪Ｍǔ５膼垡蛩固估碚摻o出的宇宙命運類似這種情況?，F(xiàn)在如果我們給石塊裝上一個火箭發(fā)動機，讓它在噴出的氣體的排斥作用下一飛沖天。那么在脫離地面后，石塊的速度便會越來越大并最終脫離地球引力的束縛。同樣的，為了使得宇宙能夠加速膨脹，我們也需要宇宙中有一種成分能夠發(fā)揮火箭發(fā)動機的作用，物理學家們把這種成分稱為暗能量。

因此，找到一種合適的暗能量候選者便成為了一個十分重要的問題。一種最簡單的設(shè)想是在愛因斯坦引力場方程中增加一個為常數(shù)的項，稱為宇宙學常數(shù)，它的意義在于告訴我們真空實際上并不是真的“空”的，而是有能量的，而真空的能量便可以成為驅(qū)動宇宙加速膨脹的動力。

雖然宇宙學常數(shù)的想法足夠簡單并且與現(xiàn)今的天文觀測符合得很好，但也存在一些致命的問題。量子場論能對宇宙中的真空能量進行估算。但不幸的是，估算結(jié)果比我們的實際觀測，即宇宙學常數(shù)所對應(yīng)的真空能量值大120個數(shù)量級！因此物理學家們將之稱為“物理學史上最糟糕的理論預言”。此外，在當今宇宙中，暗能量約占宇宙總能量的70%，為了得到這一比例，在宇宙極早期暗能量所占的比例要出奇地小，而計算結(jié)果表明只要當時的暗能量比例稍微偏離這一結(jié)果，那么就會大幅度偏離我們當今對宇宙組分的觀測結(jié)果了。這意味著對宇宙開始時的狀態(tài)要進行極其精密的微調(diào)，從而讓我們對宇宙學常數(shù)的解釋產(chǎn)生懷疑。

2.面對挑戰(zhàn)：尋找壓強為負的物質(zhì)

為了更好地解釋宇宙加速膨脹現(xiàn)象，人們需要跳出標準的愛因斯坦場方程與物質(zhì)理論的框架。

一種有效的方案是，在宇宙中引入一種新的物質(zhì)，這種物質(zhì)可以隨時間緩慢變化，并且在宇宙中的表現(xiàn)類似宇宙學常數(shù)，從而可以解釋我們宇宙的加速膨脹現(xiàn)象。宇宙學家用這種物質(zhì)的壓強與能量的比值來刻畫這一物質(zhì)狀態(tài)，這就是物態(tài)方程參數(shù)。而為了實現(xiàn)宇宙加速膨脹，這個物態(tài)方程參數(shù)要小于-1/3。考慮到通常物質(zhì)的能量都為正數(shù)，這意味著該物質(zhì)的壓強需要為負數(shù)，從而與我們常見的物質(zhì)大不相同，而我們前面提到的宇宙學常數(shù)的這一比值正好等于-1。

物理學家們提出了多種多樣的暗能量物質(zhì)模型，而按照物態(tài)方程參數(shù)與-1的比較關(guān)系，這些模型又可以大致被分成三大類。第一類叫做精質(zhì)，英文名稱是Quintessence，對應(yīng)的物態(tài)方程參數(shù)大于-1。有趣的是這一名稱的含義來自于希臘語的“第五元素”。在古希臘哲學中人們認為世界由四種元素構(gòu)成——氣、水、火、土。而在今天科學家們發(fā)現(xiàn)的基本粒子可以分為夸克、輕子和中間玻色子，如果我們再加上暗物質(zhì)作為第四種元素的話，那么這種暗能量候選者便成為了第五種元素，Quintessence因此得名。第二種稱為幽靈，英文名稱是Phantom，該物質(zhì)的壓強與能量的比值小于-1。在日常生活中，幽靈指的是一些沒有物質(zhì)實體的東西，而為了實現(xiàn)這種暗能量模型的設(shè)想，通俗說來我們需要這種物質(zhì)的動能為負值，而這和我們平時看得見摸得著的物質(zhì)還真是大不相同，因此它被冠以“幽靈”的稱號也就不奇怪了。而在第三類暗能量模型當中，宇宙學家將“精質(zhì)”與“幽靈”這兩個理論設(shè)想結(jié)合在了一起，并各取一個字從而提出名為“精靈”（Quintom）的暗能量物質(zhì)模型。在這種模型中，壓強與能量的比值可以在宇宙演化中自由穿越-1的邊界，因此可以給出更為豐富的宇宙演化行為。

另一種方案是修改愛因斯坦的引力理論。此外，人們還嘗試跳出廣義相對論的框架，比如引入更高的時空維度，將我們的三維空間與一維時間鑲嵌在一個更高維度的時空上，而引力也變成了一種更高維度的相互作用，在小的距離范圍內(nèi)，它與普通的引力無異，在更大的距離范圍上，則會與標準的引力發(fā)生偏離，從而解釋宇宙的加速膨脹現(xiàn)象。

3.未來展望：等待更精確的觀測

為了揭開宇宙加速膨脹之謎，人們提出了形形色色的方案，但還沒有一個完美到讓人信服的方案。

找到完美的解決方案，一方面，我們需要更精確的宇宙學觀測。在傳統(tǒng)的天文學觀測中，對天體發(fā)出的不同種類光的觀測往往是我們獲得重要信息的途徑。自從成功探測到引力波以來，人們已經(jīng)進入了多信使天文學時代。與將Ia型超新星作為“光源”類似，人們提出了將引力波源作為“汽笛”來探測宇宙膨脹現(xiàn)象的想法，從而提供與Ia型超新星及其它觀測相獨立的實驗檢驗途徑。此外，對其他可能存在的偏離標準廣義相對論現(xiàn)象的觀測，比如牛頓引力常數(shù)是否是一個真正的常數(shù)，也有助于我們從其他角度來認識我們手頭上能夠解釋宇宙加速膨脹現(xiàn)象的理論。

另一方面，理論也需要得到更充分的發(fā)展。人們既可以思考并提出更新穎巧妙的理論來解釋天文觀測現(xiàn)象，也可以在現(xiàn)有理論的基礎(chǔ)上致力于有效理論的發(fā)展，從而更好地認識暗能量以及其它與愛因斯坦理論所偏離的現(xiàn)象。一個多世紀以前，物理學上空的一朵烏云——以太漂移學說與激光干涉實驗之間的矛盾催生出了愛因斯坦的相對論，現(xiàn)在我們有了暗能量這朵巨大的烏云，這是否意味著我們處在理論和認知的巨大飛躍的前夕呢？