尋找暗能量

一場新的科學革命，已經隨著宇宙加速膨脹的發現而拉開序幕。超新星亮度上的細微差異，曾讓天文學家得出結論：構成宇宙的所有物質成分當中，有70%是完全未知的。

也就是說，空間中充斥著一種不同于其他任何物質的成分——它們始終推動著宇宙膨脹，而不像其他物質那樣阻礙膨脹。這種成分被稱為暗能量。

10多年過去了，一些宇宙學家依然對暗能量的存在感到不可思議，甚至開始重新思考那些最初令他們推導出暗能量的基本假設。其中一個假設正是早期科學革命的產物——哥白尼原理。

這個原理認為，地球所處的位置既不是宇宙中心，也沒有任何特殊之處。如果我們拋棄這一基本原理，一套能夠解釋這些觀測現象而又不需要借助暗能量的宇宙圖景，就會令人驚訝地顯現出來。

謙卑的宇宙觀功不可沒

大多數人都非常熟悉這樣一個觀念：我們這顆行星不過是一粒宇宙微塵，在一個毫不起眼的星系邊緣附近，圍繞著一顆普普通通的恒星旋轉。在我們這個宇宙當中，類似的星系至少有數十億，分布之廣甚至超過我們的宇宙視界——即我們能夠觀測到的最遠邊界。這使我們相信，自己在宇宙中的位置沒有任何獨一無二之處。

不過，有什么證據能夠支持如此謙卑的宇宙觀？我們又如何才能確定自己是否處在一個特殊位置上呢？天文學家通常會跳過這些問題，以此假定我們的微不足道是顯而易見的，不需要進一步探討。

我們或許真的處在宇宙中一個特殊的位置——考慮這樣一種可能性在許多人看來似乎是不可思議的。然而，這正是世界各地一些物理學家小組最近正在認真思考的觀點。

具有諷刺意味的是，假設自己在宇宙中無足輕重，恰恰給宇宙學家提供了強大的解釋能力。根據哥白尼原理歸納而成的宇宙學原理聲稱：任何時刻，從空間中的任意一點朝任意方向看去，宇宙的模樣都是一樣的。這個假設讓我們可以把自己在宇宙一隅看到的東西外推到整個宇宙。

宇宙學家已經付出了巨大的努力，以宇宙學原理為基礎，構建起了代表科學最高水準的宇宙學模型。結合現代科學對空間、時間和物質的理解，宇宙學原理暗示：空間正在膨脹，宇宙正在變冷，其中充斥著來自熾熱宇宙開端的遺跡——所有這些預言都被天文觀測證實。

比如說，天文學家發現，遙遠星系發的光似乎比鄰近星系發的光更紅一些。這種被稱為“紅移”的現象就能夠用空間膨脹來巧妙解釋，因為光波也會隨空間的膨脹而被相應地拉長。微波探測器還發現了宇宙極早期發出的輻射——宇宙微波背景。這種大爆炸原始火球的遺跡，像一層帷幕包裹在空間各個方向，平滑得幾乎完美無瑕。能成功解釋這些現象，我們自視謙卑的態度實在功不可沒——假設自己在宇宙中的位置越不重要，我們就越能夠“全面”地探討宇宙。

黑 暗 降 臨

遙遠的超新星總是暗于科學家的預期，如果堅持宇宙學原理，這就意味著宇宙中存在暗能量。

既然如此，為什么我們不能安于現狀？如果宇宙學原理真的如此成功，為什么還要去質疑它？問題就在于，天文觀測有了一些非常奇怪的結果。

過去十年來，天文學家發現，對于“紅移”程度確定的遙遠超新星來說，觀測到的亮度總是暗于預期。超新星的“紅移”標明了自它爆炸以來空間膨脹的幅度。測出遙遠超新星發光的“紅移”程度，宇宙學家就能推斷，這顆超新星爆炸時宇宙的尺寸比今天小多少。超新星“紅移”程度越高，它爆炸時宇宙的尺寸就越小，因此從那時起到現在，宇宙膨脹的幅度也就越大。

超新星的觀測亮度給我們提供了一種方法，能夠測量它到我們的距離，從而揭示這顆超新星爆炸距今有多久。如果一顆超新星的“紅移”程度已經確定，而它的亮度看起來又低于預期，這顆超新星的距離就一定比天文學家認為的更遠。它發的光需要更長的時間才能傳到我們這里，這意味著宇宙從當時的大小膨脹到現在的大小，一定花了更久的時間。因此，宇宙過去的膨脹速度一定比科學家以前預期的更緩慢。事實上，遙遠的超新星看上去非常暗，以至于宇宙必須加速膨脹才能趕上它目前的膨脹速度。

這種加速膨脹觸發了一場宇宙學革命：宇宙中的物質本該吸引時空結構，使膨脹速度逐漸放緩，但超新星數據暗示，情況恰恰相反。如果宇宙學家接受宇宙學原理，并且假設加速膨脹出現在宇宙各處，我們就能得出這樣一個結論：宇宙中必定充斥著一種能夠產生排斥力的奇異能量——暗能量。

在物理學家用來描述基本粒子和作用力的標準模型中，沒有任何東西與暗能量相符。這是一種尚未被直接觀測到的物質，它的性質不同于我們以往看到的任何東西，能量密度也比我們能夠作出的最簡單設想低了120個數量級（根據量子場論推算出的真空能，能量密度是暗能量的10120倍）。對于暗能量可能是什么，物理學家有了一些想法，但至今仍然純屬推測。

簡而言之，對于暗能量，我們幾乎可以說是一無所知。不論暗能量可能是什么，研究人員正在著手進行一系列雄心勃勃、耗資巨大的地面和空間探測任務，用來尋找暗能量并測定它的性質。對許多人來說，這是現代宇宙學面臨的最艱巨挑戰。

尋找暗能量

位于智利安第斯山上的巨型暗能量照相機是“世界上最強大的數碼相機”，能夠捕獲80億光年外的星光。這種遠古光線中可能含有重要線索，能幫助科學家解釋宇宙的膨脹速度為何加快。5年時間里，暗能量照相機將拍攝大量細節豐富的彩色照片，展示夜空1/5的區域，發現和測量3億個星系，10萬個星系團以及4000個超新星。

最新研究表明，神秘的暗能量幾乎確定存在，盡管有些天文學家仍可能存在質疑。“暗能量是當代最大的科研謎題之一，所以很多科研學者質疑它的存在，這不足為奇。”英國樸茨茅斯大學的鮑勃·尼科爾這樣說道，“但最新的研究讓我們更加確信這種外來的宇宙重要組成部分真實存在——即使目前我們還不知道它是由什么組成的。”

科研學者稱，證明暗能量存在的最好證據之一來自于某種所謂的ISW效應。1967年，天文學家萊納·高盛和阿瑟·沃爾夫提出，宇宙微波背景輻射（CMB）發出的光在經過塊狀物質的重力場應該變得更藍。宇宙微波背景輻射即是產生宇宙大爆炸后留下的熱印記。

30年之后，其他科研學者依據這個理論，建議天文學家通過對比遙遠CMB輻射產生的溫度和臨近星系的溫度，找尋光能量的細微改變。

如果暗能量不存在，那么兩者之間應該不存在聯系。如果暗能量的確真實存在，那么CMB的光隨著經過大質量塊狀物質，應該獲得新能量，科研學者這樣表示。

后一種情景就是所謂的ISW效應，它于2003年首次被監測到。然而，這種信號非常微弱，有的天文學家非常質疑它是否能夠作為證明暗能量存在的有力證據。

在這項最新的研究中，科研學者重新檢測了ISW效應的反面論證，并更新了最初工作所使用的宇宙地圖。

最終科研小組認為有99.996%的概率證明，暗能量是導致CMB地圖中炙熱部分的原因。

“這項工作也告訴了我們對于愛因斯坦的廣義相對論應該做出的可能修改，” 主要研究作者、德國慕尼黑路德維希-馬克西米利安大學的托馬索·詹南托尼奧這樣說道。

“下一代的宇宙微波背景輻射和星系調查將提供更權威性的測量結果，它或者證實廣義相對論，包括暗能量，或者更有趣的，為我們提供了解重力是如何起作用的一個全新的認識。” 詹南托尼奧補充道。