撕裂宇宙的暗能量

編譯 王曉濤

本文要點(diǎn)速覽：

· 暗能量使宇宙加速膨脹，但它的本質(zhì)目前還是未解之謎。理解暗能量是現(xiàn)代物理學(xué)的一大挑戰(zhàn)。

· 宇宙學(xué)家通過對(duì)遙遠(yuǎn)星系的研究來測(cè)量暗能量的強(qiáng)度并觀測(cè)其是否會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化。這些細(xì)節(jié)將決定宇宙會(huì)如何終結(jié)。

· 如果暗能量的影響效果不斷增加，宇宙將會(huì)被撕裂。最后，一切都將蕩然無存——無論是粒子，還是空間本身。

暗能量可以說是宇宙中最重要的一種天文現(xiàn)象，但要想對(duì)其進(jìn)行研究卻異常困難。據(jù)我們所知，暗能量完全均勻地分布于宇宙中的每一個(gè)角落，與宇宙的空間結(jié)構(gòu)融為一體。它唯一的效應(yīng)就是將空間持續(xù)地拉伸，因此，如果研究的尺度小于遙遠(yuǎn)星系之間的廣袤空間的話，就無法觀測(cè)到它對(duì)宇宙的任何影響。

研究暗物質(zhì)的物理學(xué)家相比之下要輕松不少——盡管暗物質(zhì)和暗能量一樣不可見，但它的存在感要強(qiáng)得多。幾乎所有我們已知的星系和星系團(tuán)周圍都籠罩著暗物質(zhì)。在引力場中，暗物質(zhì)也起著主導(dǎo)作用。暗物質(zhì)可以使光線彎曲。甚至還在極早期時(shí)，暗物質(zhì)就改變了宇宙的歷史進(jìn)程。反觀暗能量，它就只是在……不停地膨脹而已。

當(dāng)然，這并沒有完全阻止我們對(duì)暗能量的研究。相關(guān)研究基本上會(huì)從宇宙的膨脹歷史，以及星系和星系團(tuán)的形成過程，這兩個(gè)方面入手。無論通過哪種方式，我們都試圖跨越遙遠(yuǎn)的空間和漫長的時(shí)間，以追蹤宇宙隨時(shí)間的演化進(jìn)程，并從微弱的信號(hào)和稀少的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中找到暗能量的極輕微的效應(yīng)。

盡管這樣的研究非常具有挑戰(zhàn)性，但值得我們?yōu)橹冻雠Γ驗(yàn)榘的芰坎粌H是宇宙的主要組成部分，同時(shí)也在明確地提示我們，尚有一些超出目前人類認(rèn)知的全新的物理學(xué)領(lǐng)域存在。

實(shí)際上，暗能量有可能會(huì)猛烈地、不可避免地摧毀宇宙。暗能量導(dǎo)致的末日浩劫，被形象地命名為“大撕裂”，它可能比任何人設(shè)想中的宇宙毀滅的結(jié)局都要更早到來。這種毀滅宇宙的形式不僅無法避免，而且會(huì)撕碎一切現(xiàn)實(shí)結(jié)構(gòu)，讓宇宙中每個(gè)有思想的生物眼睜睜地看著整個(gè)宇宙在自己面前裂開卻束手無策。

這一令人擔(dān)憂的構(gòu)想絕非空穴來風(fēng)。事實(shí)上，目前最精確的宇宙學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)非但沒有排除這種可能性，而且從某些角度來看，甚至還略微地傾向于認(rèn)可大撕裂的可能性。因此，我們完全應(yīng)當(dāng)對(duì)暗能量的研究投入必要的時(shí)間和精力。

宇宙學(xué)常數(shù)真的是“常數(shù)”嗎？

通常認(rèn)為，暗能量表現(xiàn)為宇宙學(xué)常數(shù)的形式。它拉伸空間，通過使宇宙具有某種固有的擴(kuò)張趨勢(shì)來加速其膨脹。在大尺度上，這是一種很好的描述方式。但在星系之間，或是太陽系內(nèi)，或者籠統(tǒng)地說，在有組織分布的物質(zhì)附近，宇宙學(xué)常數(shù)并不會(huì)產(chǎn)生什么影響。因此，我們可以采用更確切的說法，即宇宙學(xué)常數(shù)是一種將天體彼此分離的力量——如果兩個(gè)星系已經(jīng)相隔甚遠(yuǎn)，那么它們之間的距離會(huì)變得越來越遠(yuǎn)。隨著時(shí)間的推移，無論是單個(gè)星系、星系團(tuán)或是星系群，都會(huì)發(fā)現(xiàn)自己越來越孤獨(dú)。在考慮宇宙學(xué)常數(shù)的情形下，它們的形成速度也會(huì)更慢一些。不過，宇宙學(xué)常數(shù)無法將已經(jīng)形成連貫結(jié)構(gòu)的天體分開：凡是引力結(jié)合起來的事物，宇宙學(xué)常數(shù)都不能使之分離。

宇宙學(xué)常數(shù)之所以會(huì)有這么一點(diǎn)小小的仁慈之心（當(dāng)然，它最終還是會(huì)毀滅整個(gè)宇宙），是因?yàn)槠洹俺?shù)”的性質(zhì)。如果暗能量是一個(gè)宇宙學(xué)常數(shù)，那么即使宇宙在膨脹，它的密度也會(huì)在空間各處隨時(shí)間推移保持恒定，這是暗能量的基本特征。而且，保持恒定的僅僅是空間中各點(diǎn)的暗能量密度，而不是宇宙的膨脹速度。這在某種程度上是合理的，前提是每一處空間內(nèi)都自然地分配有一定數(shù)量的暗能量。但這樣的假定依然十分奇怪，因?yàn)檫@表示，隨著空間的增長，暗能量的總量也在增加，只有這樣才能保證其密度恒定。這也意味著，如果你在宇宙中的某個(gè)地方畫出一個(gè)給定大小的球體，并測(cè)量球體內(nèi)部的暗能量，然后在未來的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)再做同樣的事情，那么不管宇宙在這段時(shí)間里膨脹了多少，你測(cè)得的暗能量的值都必然是同一個(gè)數(shù)字。如果原先的球體內(nèi)包含了某個(gè)星系團(tuán)以及一定量的暗能量，十億年后，這個(gè)區(qū)域內(nèi)暗能量的總量仍然會(huì)是之前的值。因此，如果之前的暗能量不足以破壞那個(gè)星系團(tuán)，那么以后暗能量也永遠(yuǎn)不會(huì)對(duì)星系團(tuán)造成破壞。即使宇宙的其他部分不可避免地陷入虛無，在這個(gè)球體內(nèi)部，物質(zhì)和暗能量之間的平衡也不會(huì)被打破。

這聽上去讓人感到安心。假設(shè)你是宇宙中的一團(tuán)物質(zhì)，你想讓自己成為一個(gè)漂亮、穩(wěn)定、由引力束縛的星系，敬請(qǐng)放心，只要你聚集起來打造自己的物質(zhì)足夠多，就可以實(shí)現(xiàn)愿望。而在這一過程中，暗能量不會(huì)來破壞你的事業(yè)。

除非，暗能量并不僅僅是一個(gè)宇宙學(xué)常數(shù)。

宇宙學(xué)常數(shù)只是暗能量的一種可能性。我們知道，暗能量會(huì)使宇宙膨脹得更快?；蛘?，更確切地說，暗能量具有負(fù)壓。負(fù)壓是一個(gè)奇怪的概念，因?yàn)楦鶕?jù)通常的認(rèn)識(shí)，壓力是一種向外推的力量。但在愛因斯坦的廣義相對(duì)論中，壓力就像質(zhì)量或輻射一樣，只是能量的另一種形式，因此可以具有引力的吸引效果。而在廣義相對(duì)論中，引力也只是空間彎曲的結(jié)果。

想象有一個(gè)網(wǎng)球正在蹦床上滾動(dòng)。現(xiàn)在假設(shè)將一個(gè)保齡球放置在蹦床的中心處，網(wǎng)球會(huì)沿著一條曲線滾動(dòng)并經(jīng)過保齡球。這個(gè)例子可以很好地用來類比某個(gè)物體在空間中存在大質(zhì)量物體時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。如果要考慮廣義相對(duì)論，那么不僅在球質(zhì)量更大時(shí)壓痕更深，并且如果球的溫度很高，或是內(nèi)部具有很強(qiáng)的壓力時(shí)，壓痕同樣也會(huì)更深。所以，和能量的其他形式一樣，壓力也起著非常類似質(zhì)量的作用。從引力的角度看，壓力是一種拉力。例如，當(dāng)你計(jì)算一團(tuán)氣體的引力效應(yīng)時(shí)，你不僅要考慮到它的質(zhì)量，還要考慮到它的壓力，因?yàn)檫@兩者都會(huì)造成氣體對(duì)周圍物質(zhì)的引力作用。事實(shí)上，相比質(zhì)量而言，壓力對(duì)時(shí)空曲率的貢獻(xiàn)要更大一些。

一個(gè)物體具有負(fù)壓，這種說法意味著什么？如果存在某種奇怪的物質(zhì)，其壓力是負(fù)值，那就說明它可以有效地抵消物質(zhì)的質(zhì)量，至少在質(zhì)量對(duì)時(shí)空彎曲的影響效果方面可以這么說。如果你以宇宙學(xué)常數(shù)的形式寫下暗能量的壓力和密度的值，并使用適當(dāng)?shù)膯挝?，就可以使得壓力正好是密度的?fù)數(shù)。

我們通常使用狀態(tài)方程參數(shù)來討論物質(zhì)的密度與其壓力之間的關(guān)系，這一參數(shù)寫作ω——它等于壓力除以能量密度，單位為相應(yīng)的合理單位。我們對(duì)暗能量狀態(tài)方程感興趣，因?yàn)槿绻麜r(shí)間夠長，所有其他影響因素都會(huì)被沖淡，暗能量隨著宇宙的膨脹會(huì)變得越來越重要，暗能量狀態(tài)方程也將成為整個(gè)宇宙的狀態(tài)方程。如果ω的測(cè)量值恰好為-1，這表明壓力和密度正好相反，并且暗能量是一個(gè)宇宙學(xué)常數(shù)。由于宇宙學(xué)常數(shù)中的能量密度總是正值，乍一看，它似乎應(yīng)該像物質(zhì)一樣發(fā)揮作用，放大引力減緩宇宙膨脹的效果。但是由于負(fù)壓在方程中被賦予了更大的權(quán)重，因而宇宙學(xué)常數(shù)最終的貢獻(xiàn)反而是加速了宇宙的膨脹。

至少根據(jù)我們的預(yù)測(cè)，情況應(yīng)當(dāng)如此。 ω=-1的宇宙學(xué)常數(shù)的總能量密度在宇宙膨脹時(shí)完全保持恒定，不會(huì)增加或減少。但對(duì)于具有任何其他ω值的暗能量，情況將會(huì)有所不同。所以，弄清楚我們的研究對(duì)象可以說非常重要。

在首次發(fā)現(xiàn)暗能量之后的幾年里，我們發(fā)現(xiàn)，很明顯有什么東西在加速宇宙的膨脹，這意味著這種東西一定具有負(fù)壓。事實(shí)證明，如果ω值小于-1/3，就會(huì)存在負(fù)壓和加速膨脹的現(xiàn)象。如果可以知道ω的值，就能讓我們認(rèn)識(shí)到，暗能量究竟是一個(gè)真正的宇宙學(xué)常數(shù)（ω的值始終是-1），還是會(huì)動(dòng)態(tài)變化，即其對(duì)宇宙的影響效果可能會(huì)隨時(shí)間發(fā)生改變。所以天文學(xué)家試圖找到方法來精確測(cè)定ω的值。如果最終發(fā)現(xiàn)，暗能量并不是一個(gè)宇宙學(xué)常數(shù)，這將表明，我們不僅發(fā)現(xiàn)了一種作用于宇宙層面的全新物理學(xué)，而且還有一個(gè)連愛因斯坦也未曾料到的意外收獲（愛因斯坦無疑會(huì)在某些方面出錯(cuò)）。

多年來，科研上的競賽一直在持續(xù)?？茖W(xué)家們進(jìn)行了大量的觀測(cè)，撰寫了眾多論文，將數(shù)據(jù)繪制成圖線以擬合得到ω的值。看起來，暗能量是宇宙學(xué)常數(shù)的情況似乎更有可能。

但是，在20世紀(jì)90年代末和21世紀(jì)初，一些宇宙學(xué)家提出了一個(gè)重要的、從未被討論過的假設(shè)，并將其應(yīng)用到了數(shù)值計(jì)算當(dāng)中。這是一個(gè)完全合理的假設(shè)，因?yàn)槿绻鲆暳诉@一假設(shè)，就會(huì)違反某些長期存在的理論物理學(xué)原理。這些原理非?；A(chǔ)，以至于不會(huì)有人想要推翻它們。但這些原理并不是觀測(cè)數(shù)據(jù)所必須認(rèn)可的。作為科學(xué)家，我們首先還是要忠于數(shù)據(jù)，哪怕這樣做有可能會(huì)改寫宇宙的命運(yùn)。

一個(gè)另辟蹊徑的觀點(diǎn)

達(dá)特茅斯學(xué)院的物理學(xué)家羅伯特·考德威爾（Robert Caldwell）和他的同事提出了一個(gè)簡單的問題：如果ω小于-1會(huì)怎樣？或者說，小于-1.5？或是小于-2？在此之前，科學(xué)家普遍認(rèn)為，這種可能性太過古怪因而不必去考慮。大量論文中基于數(shù)據(jù)擬合而成的圖像顯示，ω的“允許”區(qū)域往往會(huì)在-1處突然截止。數(shù)據(jù)軸的范圍可能從-1到0，或者從-1到0.5，但-1一定會(huì)是一堵難以逾越的墻，就像你在猜測(cè)一個(gè)人的身高時(shí)，不會(huì)考慮身高小于0的可能性一樣。

但是當(dāng)考德威爾研究這個(gè)問題時(shí)，ω的所有觀測(cè)結(jié)果都指向了-1這個(gè)值，或是某個(gè)非常接近它的值。這表明，在有人核查過數(shù)據(jù)并確認(rèn)無誤的前提下，低于-1的值也是觀測(cè)數(shù)據(jù)允許的。在這一假設(shè)中，暗能量的ω值小于-1，考德威爾將其稱之為“幽靈暗能量”。這與一些重要理論原理非常不一致——特別是“主能量條件”，粗略地說，即能量不能比光流動(dòng)得更快。這似乎是一個(gè)在研究宇宙時(shí)完全合理的條件，不過這個(gè)說法與光（或任何物質(zhì)）的速度有上限的表述略有不同，目前它還不是一個(gè)經(jīng)過驗(yàn)證的物理學(xué)原理，而僅僅是一個(gè)十分自洽的觀點(diǎn)。或許，我們可以對(duì)它進(jìn)行修改。

考德威爾和同事根據(jù)ω的所有可能性計(jì)算出了相應(yīng)的約束條件。他們不僅發(fā)現(xiàn)那些低于-1的值與數(shù)據(jù)完全一致，而且在經(jīng)過簡單直接的計(jì)算后得出結(jié)論，如果ω?zé)o限地小于-1，暗能量就會(huì)在有限的、可預(yù)測(cè)的時(shí)間內(nèi)撕裂整個(gè)宇宙。

大撕裂

你可以把它想象成是一次解體。

首先消失的是最大也是最脆弱的那些結(jié)構(gòu)體。在龐大的星系團(tuán)內(nèi)，成百上千個(gè)星系群圍繞彼此緩慢地運(yùn)動(dòng)，它們的運(yùn)動(dòng)路徑漫長而又互相交錯(cuò)。剛開始，星系群的路徑會(huì)變得越來越長。在數(shù)百萬至數(shù)十億年的時(shí)間里，星系穿越過的廣闊空間進(jìn)一步擴(kuò)大，導(dǎo)致邊緣處的星系緩慢漂移到不斷增長的宇宙空洞中。很快，即使是最致密的星系團(tuán)也會(huì)不可避免地消散，組成它們的星系將再也感受不到任何來自中心處的拉力。

從我們所在的銀河系內(nèi)的位置來看，星系團(tuán)的消失應(yīng)該是大撕裂正在發(fā)生的第一個(gè)不祥預(yù)兆。但是光速的限制推遲了這一跡象的到來，使得我們只有在更近些的地方才能感受到影響。隨著我們所在的星系團(tuán)（室女座超星系團(tuán)）的消散，之前遠(yuǎn)離銀河系的緩慢運(yùn)動(dòng)如今開始加速。當(dāng)然，這種效果是十分微小的。不過，接下來要說的事就有所不同了。

目前我們的天文全天觀測(cè)手段已經(jīng)可以測(cè)量銀河系中數(shù)十億顆恒星的位置和運(yùn)動(dòng)。隨著大撕裂的臨近，我們會(huì)注意到銀河系邊緣的恒星并沒有按照預(yù)期的軌道運(yùn)行，而是像晚上派對(duì)結(jié)束后的客人一樣，晃晃蕩蕩地飄走。不久之后，我們的夜空開始變暗，因?yàn)闄M跨天空的銀河系正在逐漸消失。銀河蒸發(fā)了。

從此時(shí)開始，毀滅的進(jìn)程進(jìn)一步加快。我們發(fā)現(xiàn)行星的軌道不再是它們應(yīng)有的樣子，而是慢慢地向外盤旋。就在末日之前的幾個(gè)月，外行星消失在了廣闊無垠且不斷增長的黑暗之中。地球逐漸遠(yuǎn)離了太陽，月球也在遠(yuǎn)離地球。我們陷入了孤獨(dú)的黑暗時(shí)代。

這種新出現(xiàn)的孤獨(dú)的平靜感，并不會(huì)持續(xù)太久。

之后，任何此時(shí)依然完好無損的結(jié)構(gòu)體，都在其內(nèi)部膨脹空間的推動(dòng)下，承受了越來越強(qiáng)的壓力。地球的大氣層從頂部開始變薄。地球內(nèi)部的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在不斷變化的引力影響下變得混亂。只剩下幾個(gè)小時(shí)了。地球再也沒辦法保持一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)：我們的星球爆炸了。

原則上說，即使地球毀滅，你也是可以幸存的，只要在認(rèn)識(shí)到這些跡象產(chǎn)生的原因之后及時(shí)躲到某個(gè)緊湊的太空艙中就可以。（當(dāng)危險(xiǎn)來源于空間本身時(shí)，你一定會(huì)希望自己處于盡可能小的空間結(jié)構(gòu)內(nèi)。）但這種緩刑是短暫的。不久之后，將原子和分子結(jié)合在一起的電磁力將無法承受物質(zhì)所在的不斷擴(kuò)大的空間的影響。在最后一瞬間，分子裂開，任何仍在堅(jiān)持思考的生物都會(huì)從內(nèi)部被一個(gè)原子一個(gè)原子地撕裂摧毀。

在這之后，破壞的效果已經(jīng)沒有人能看到了。但毀滅仍在繼續(xù)。原子中心的超高密度物質(zhì)，即原子核本身，是下一個(gè)被摧毀的對(duì)象。極其致密的黑洞的核心也會(huì)被掏空。而在最后一瞬間，空間本身的結(jié)構(gòu)被撕裂了。

不幸的是，我們可能永遠(yuǎn)也無法肯定地說，大撕裂一定不會(huì)發(fā)生。如果ω小于-1，哪怕只有幾十億分之一的概率，暗能量最終都會(huì)以幽靈暗能量的形式將宇宙撕裂。由于測(cè)量結(jié)果不可能百分之百精準(zhǔn)，因此，我們所能做的最好的事情，就是預(yù)言：即使大撕裂真的會(huì)發(fā)生，那也會(huì)是在很遠(yuǎn)的將來，到時(shí)宇宙中的所有結(jié)構(gòu)都會(huì)隨著時(shí)間的推移而蕩然無存。因?yàn)榫退阌撵`暗能量存在，ω越接近-1，大撕裂就越會(huì)被推到更遠(yuǎn)的未來。之前我根據(jù)普朗克衛(wèi)星于2018 年發(fā)布的數(shù)據(jù)計(jì)算出了最早可能發(fā)生大撕裂的時(shí)間，結(jié)果是大約 2 000 億年之后。

哈，真是個(gè)令人寬慰的結(jié)果。

但考慮到潛在的后果，為了宇宙以及物理學(xué)的基礎(chǔ)著想，天文學(xué)界還是非常想要弄清楚，從ω=-1到宇宙末日時(shí)ω取的極小值之間，我們目前究竟處于哪個(gè)位置。ω?zé)o法被直接測(cè)量，但我們可以通過測(cè)量宇宙過去的膨脹速度，并將其與針對(duì)不同類型暗能量的最佳理論模型進(jìn)行比較，來間接確定它。原則上，有一些方法可以得到ω的值，并且有些方法還能在不必計(jì)算特定距離處的膨脹速度的情況下巧妙地完成任務(wù)。但研究暗能量最直接的方法是弄清楚宇宙完整的膨脹過程。事實(shí)表明，如果你嘗試著想回答一些簡單的問題，比如“那個(gè)星系有多遠(yuǎn)？”，那么宇宙學(xué)中所有不可思議的特點(diǎn)都會(huì)同時(shí)展現(xiàn)出來。

通向天堂的階梯

為了有意義地比較宇宙中兩個(gè)相距很遠(yuǎn)的點(diǎn)的局部空間膨脹速度，你首先需要確切知道這兩個(gè)點(diǎn)到底相距多遠(yuǎn)。如果研究對(duì)象是地球上的物體，哪怕是像月球這樣近的物體，這都不是什么難事，你可以向它發(fā)射激光束，并測(cè)量光線返回所需的時(shí)間，從而測(cè)定距離。在這樣的尺度上，宇宙看上去很合理?；旧希@就是一個(gè)不變的空間，從 A 到 B 的距離可以直接測(cè)量得到，結(jié)果一定是有意義并正常的。但如果涉及太陽系以外的事物，問題就變得棘手起來，因?yàn)闇y(cè)量更遠(yuǎn)物體的距離會(huì)更加困難，而且在更大的尺度上，膨脹會(huì)改變距離本身的定義。

多年來，天文學(xué)家將所有對(duì)距離的定義和測(cè)量方法拼湊累加在了一起。盡管有時(shí)這看起來很笨拙，但它也確實(shí)是觀測(cè)天文學(xué)和數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域數(shù)十年來的創(chuàng)新成果，并為我們提供了直觀但不易操作的距離測(cè)量方法。我們把它稱為距離階梯。

假設(shè)你需要測(cè)量一間很大的房間的尺寸，但手頭只有一把普通尺寸的尺子。如果你不介意在地板上爬來爬去的話，當(dāng)然可以通過反復(fù)放下尺子一段一段測(cè)量的方式得到整個(gè)房間的尺寸?；蛘?，你也可以更有創(chuàng)意一點(diǎn)，先測(cè)量自己的步幅，然后走過房間并計(jì)算步數(shù)。如果你選擇的是步數(shù)法，那就意味著你正在構(gòu)建一個(gè)距離階梯：一個(gè)容易控制的、可對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)的大尺度測(cè)距系統(tǒng)。

在天文學(xué)中，距離階梯有一系列的層級(jí)，使得可測(cè)范圍可以從太陽系一直延伸到數(shù)十億光年以外的天體。在太陽系內(nèi)，直射式激光測(cè)量、軌道間比例關(guān)系乃至日食現(xiàn)象都可以用來幫助我們測(cè)定距離。更遠(yuǎn)一些的話，我們就會(huì)采用下一個(gè)方法：視差法。當(dāng)你改變自己的位置時(shí)，和遠(yuǎn)處的物體相比，附近的物體相對(duì)于固定背景的位置變化似乎要更大一些。與之相似，如果你閉左眼睜右眼觀察自己豎在面前的手指，之后閉右眼睜左眼再看一次，就會(huì)發(fā)現(xiàn)自己手指的位置在來回移動(dòng)。如果我們?cè)诹聲r(shí)觀測(cè)一顆鄰近的星星，然后在十二月時(shí)再觀測(cè)同一顆星星，由于地球在繞日軌道上處于不同的位置，相對(duì)于更遠(yuǎn)處的背景天體，這顆恒星的位置似乎會(huì)略有變動(dòng)。距離越近，這樣的偏移就會(huì)越大。可惜的是，對(duì)于銀河系以外的天體，這樣的視運(yùn)動(dòng)太小以致難以分辨，因此，我們需要另一種方法——一種根據(jù)光的特性來確定發(fā)光物體距離的方法。

這種方法的關(guān)鍵點(diǎn)在于標(biāo)準(zhǔn)燭光的概念：一種天體（例如恒星）可以通過其某種物理屬性來告訴你它的亮度。這樣一來，只要知道它看起來有多亮，就可以知道它有多遠(yuǎn)。這就像是明確標(biāo)注有“60瓦”字樣的燈泡。你是知道它本來應(yīng)該有多亮的，因此當(dāng)它離得很遠(yuǎn)時(shí)，你也會(huì)很清楚，自己接收到來自它那里的光顯然就會(huì)更少。

當(dāng)然，太空中不會(huì)有東西自帶亮度的標(biāo)識(shí)，但我們發(fā)現(xiàn)了幾乎和標(biāo)識(shí)一樣有用的東西。20世紀(jì)初，天文學(xué)家亨麗愛塔·勒維特 （Henrietta Swan Leavitt） 首次取得了在天文學(xué)中使用標(biāo)準(zhǔn)燭光的重大突破。她在哈佛天文臺(tái)工作時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種被稱為“造父變星”的恒星會(huì)以可預(yù)測(cè)的方式變亮和變暗。固有光度較強(qiáng)的造父變星會(huì)緩慢而漸進(jìn)地脈動(dòng)，周期性地發(fā)生明暗變化。而固有光度較弱的造父變星則會(huì)脈動(dòng)得更快一些，在最亮和最暗的狀態(tài)之間有很大的波動(dòng)。

這是一次革命性的發(fā)現(xiàn)，或許也是天文學(xué)史上最重要的發(fā)現(xiàn)之一，因?yàn)樗屛覀冇心芰y(cè)量周圍宇宙的尺度。這意味著，在任何可以看到造父變星的地方，我們都可以測(cè)得可靠的距離數(shù)據(jù)，從而制作可用的星圖。通過測(cè)量造父變星脈動(dòng)的速度及其視亮度，勒維特可以非常明確地告訴你它到底有多亮，以及距離有多遠(yuǎn)。

這可以讓我們測(cè)定多遠(yuǎn)的距離？在整個(gè)銀河系和鄰近的星系中，造父變星都是可見的，因此我們可以利用視差法測(cè)量附近天體的距離，并將其用于脈動(dòng)關(guān)系的精確校準(zhǔn)，然后將脈動(dòng)的周光關(guān)系用于測(cè)量更遠(yuǎn)天體的距離。

距離階梯中的下一種方法至關(guān)重要，但從各個(gè)方面來說，它也使得事情變得非?；靵y。某些特定類型的超新星會(huì)產(chǎn)生爆發(fā)，其性質(zhì)是可以預(yù)測(cè)的，因此我們可以將其用來作為宇宙的里程標(biāo)記。這種爆發(fā)，即Ia型超新星爆發(fā)，是在一顆白矮星以某種方式從另一顆同樣不幸的恒星中吸收了質(zhì)量并壯觀地將自己撕裂時(shí)發(fā)生的。由于白矮星的結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡單（至少相對(duì)于恒星來說是很簡單的），并且爆發(fā)的過程由我們熟悉的物理學(xué)機(jī)制所控制，因此，Ia型超新星被認(rèn)為和造父變星一樣，是很好的標(biāo)準(zhǔn)燭光模型——所有的爆發(fā)看起來都非常相似。如果你可以對(duì)爆發(fā)達(dá)到峰值和減弱時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，就可以很好地算得爆發(fā)釋放的能量總量，從而了解它的真實(shí)亮度。

使用這些恒星作為距離基準(zhǔn)的精確程度究竟有多高——其中必然也會(huì)有一些調(diào)整以考慮恒星環(huán)境間的細(xì)微差異——仍然是個(gè)天體物理學(xué)界激烈爭論的問題。這是可以理解的，因?yàn)槲覀冊(cè)谶@上面可下了很大的賭注。在廣闊宇宙的膨脹過程中，Ia型超新星是測(cè)距的黃金標(biāo)準(zhǔn)。它們使得天文學(xué)家在20世紀(jì)90年代后期能夠探測(cè)到宇宙的加速膨脹，并且現(xiàn)在也是天文學(xué)家用來研究暗能量本質(zhì)的有力工具。

我們現(xiàn)在利用超新星校準(zhǔn)星系距離的精確程度可以說令人印象深刻，其精度已達(dá)到1%的水平。這使得通過確定星系距離和它們的退行速度來測(cè)量宇宙的膨脹速度成為可能。我們根據(jù)哈勃常數(shù)——一個(gè)與距離和退行速度相關(guān)的數(shù)值——來討論宇宙膨脹的速度。在撰寫本文時(shí)，對(duì)超新星的測(cè)量結(jié)果已將哈勃常數(shù)測(cè)量值的精度提升至了2.4%。

這很奇怪。因?yàn)槲覀兊玫降臄?shù)值與通過觀察宇宙微波背景輻射得出的數(shù)值完全不同。

困惑在增加

在過去的幾年里，根據(jù)超新星觀測(cè)得到的哈勃常數(shù)的測(cè)量結(jié)果大約是74公里每百萬秒差距每秒——這意味著一個(gè)距離我們一百萬秒差距（326萬光年）的星系正以大約每秒74公里的速度遠(yuǎn)離我們。但是，哈勃常數(shù)也可以通過對(duì)宇宙微波背景輻射中熱點(diǎn)和冷點(diǎn)的幾何形狀的研究來間接測(cè)得。如果以這種方式測(cè)量，得到的結(jié)果大約為67公里每百萬秒差距每秒。盡管這些測(cè)量觀察的是宇宙歷史上與現(xiàn)在非常不同的時(shí)期，但也完全可以提供今天宇宙的膨脹速度。在一個(gè)由我們認(rèn)為的物質(zhì)構(gòu)成的宇宙之中，這兩種方法給出的哈勃常數(shù)的值應(yīng)該是相同的。但這樣看來，并不是。

也不是說任何時(shí)候，這都應(yīng)該被認(rèn)為是一個(gè)很大的問題，因?yàn)闇y(cè)量本身也無法精確到極致。最近，支持宇宙微波背景輻射方法的人認(rèn)為，距離階梯存在一些錯(cuò)誤，預(yù)計(jì)修正后可以使得數(shù)值減小一點(diǎn)。而使用超新星方法的人則指出，通過宇宙微波背景輻射最終給出測(cè)量值的推導(dǎo)過程中需要嘗試測(cè)量空間本身的形狀，這過于復(fù)雜，以至于一定會(huì)有一些東西導(dǎo)致測(cè)量值偏高了一點(diǎn)?？紤]到要將宇宙初期的情況轉(zhuǎn)換為當(dāng)前的膨脹速度就必須要進(jìn)行大量的計(jì)算和轉(zhuǎn)換，這個(gè)假設(shè)并非毫無根據(jù)。當(dāng)然，距離階梯也確實(shí)非常復(fù)雜。哪怕不考慮超新星本身的所有相關(guān)屬性，也就是說不考慮潛在的所有可能偏差，對(duì)變星的校準(zhǔn)也不是一件容易的事情，甚至在測(cè)量相對(duì)較近的星系的距離時(shí)也會(huì)出現(xiàn)很大的誤差。其中有一部分原因是，我們看到的附近的造父變星的數(shù)量與遠(yuǎn)處的并不相同，以及……好吧，我可以繼續(xù)說下去，但總而言之，這里存在爭議。

雖然雙方都在假設(shè)對(duì)方出了錯(cuò)，但兩邊也都在改進(jìn)方法，消除所有已知的測(cè)量偏差的來源。但更精確的數(shù)值結(jié)果依然無法彼此吻合。這種情況令人不安。

目前還不清楚這個(gè)問題的最終解決方案會(huì)是什么。也許確實(shí)可以將其歸結(jié)為數(shù)據(jù)中存在的系統(tǒng)誤差，或者測(cè)量本身存在一些問題。又或許只是統(tǒng)計(jì)上有一些小小瑕疵，盡管這在表面上看起來就不太可能。最有趣的解釋涉及暗能量。暗能量不是普通的宇宙學(xué)常數(shù)，而是一種更不祥的東西——它可能會(huì)導(dǎo)致大撕裂。有一種假設(shè)可以通過一種合理的方式解決測(cè)量值之間的差異：就像宇宙在早期階段時(shí)幽靈暗能量占主導(dǎo)地位的情況那樣，暗能量將隨著時(shí)間的推移變得越來越強(qiáng)大。

我們或許還不必恐慌。根據(jù)之前所述，數(shù)據(jù)結(jié)果并不確定。對(duì)ω的大多數(shù)測(cè)量結(jié)果會(huì)給出一個(gè)與-1完全一致的值。雖然確實(shí)小于-1的值偶爾會(huì)更有可能，但這種輕微的偏向在統(tǒng)計(jì)上不具備真正意義。至于哈勃常數(shù)的分歧，即使所有的測(cè)量結(jié)果都是正確的，對(duì)這種差異的非世界末日解釋——包括暗物質(zhì)的各種奇怪模型，或是早期宇宙的條件有所變動(dòng)——在很大程度上都更有可能。事實(shí)上，就算改變對(duì)暗能量的認(rèn)識(shí)也不足以完全解決問題，因此，完全有理由假設(shè)問題的解決方案尚存在于其他領(lǐng)域。即使暗能量對(duì)當(dāng)前宇宙的影響效果急劇上升，類似于幽靈暗能量的東西確實(shí)存在，也沒關(guān)系。在大撕裂可能發(fā)生之前，我們還會(huì)有很多時(shí)間。

資料來源 American Scientist