宇宙演化與暗能量

趙崢

弗利德曼和勒梅特的宇宙模型都指出，宇宙未來(lái)的演化有3種可能性，如圖1所示。圖中橫坐標(biāo)f表示時(shí)間，縱坐標(biāo)a（f）是宇宙的尺度因子。粗略地說(shuō)，a（f）反映宇宙三維空間的尺度大小。

一種情況，宇宙是脈動(dòng)型的，膨脹到一定程度會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槭湛s。這種宇宙的三維空間曲率K是正的，體積是有限的，是有限無(wú)邊的宇宙。在有限無(wú)邊這一點(diǎn)上，脈動(dòng)宇宙與愛(ài)因斯坦的靜態(tài)宇宙是一樣的，只不過(guò)脈動(dòng)的宇宙在動(dòng)，靜態(tài)宇宙則不隨時(shí)間變化。

脈動(dòng)的宇宙在轉(zhuǎn)化為收縮后，體積會(huì)越來(lái)越小，溫度會(huì)越來(lái)越高，重新化為核火球。目前，比較流行的看法是，脈動(dòng)宇宙在收縮到一定程度時(shí)會(huì)發(fā)生“反彈”，再次轉(zhuǎn)入膨脹。所以，這樣的宇宙會(huì)不斷脹縮交替，像脈搏跳動(dòng)一樣，這就是稱(chēng)它為脈動(dòng)宇宙的原因。

弗利德曼和勒梅特得到的第二類(lèi)和第三類(lèi)宇宙模型都不會(huì)轉(zhuǎn)化為收縮，都將永遠(yuǎn)膨脹下去，溫度會(huì)越來(lái)越低，趨向絕對(duì)零度。這兩類(lèi)宇宙三維空間的體積都是無(wú)窮大。不同的是，其中一種的空間曲率K為零，也就是說(shuō)三維空間是平直的，是平直的無(wú)限無(wú)邊的宇宙。另一種的空間曲率K為負(fù)，即三維空間的曲率是負(fù)的，是負(fù)曲率的無(wú)限無(wú)邊的宇宙。

讓人特別難以理解的是，這兩種無(wú)限無(wú)邊的宇宙，從誕生的那一刻起，空間就是無(wú)限大的。這兩種模型描述的膨脹，都是無(wú)限大的三維空間的膨脹。這一點(diǎn)和脈動(dòng)宇宙完全不同，脈動(dòng)宇宙誕生時(shí)三維體積可能無(wú)限小，然后逐漸脹大，達(dá)到極大值后轉(zhuǎn)化為收縮，體積越來(lái)越小，最后可能趨于無(wú)窮小，也可能在達(dá)到無(wú)窮小之前宇宙就會(huì)發(fā)生“反彈”，體積重新增大。究竟是達(dá)到“無(wú)窮小”還是發(fā)生“反彈”，目前學(xué)術(shù)界存在爭(zhēng)議。

不管宇宙將來(lái)會(huì)如何，會(huì)永遠(yuǎn)膨脹還是脈動(dòng)收縮，我們今天的宇宙無(wú)疑都處在膨脹過(guò)程中。天文觀(guān)測(cè)和哈勃定律都支持當(dāng)前宇宙正在膨脹的觀(guān)點(diǎn)，在學(xué)術(shù)界沒(méi)有爭(zhēng)議。

然而，人們還是想知道，我們的宇宙未來(lái)會(huì)按哪種模式運(yùn)行，是永遠(yuǎn)膨脹還是會(huì)轉(zhuǎn)化為收縮。前面已談到，這一問(wèn)題和我們所處的三維空間究竟有限還是無(wú)限是聯(lián)系在一起的。有限無(wú)邊的宇宙是脈動(dòng)的，無(wú)限無(wú)邊的宇宙是永遠(yuǎn)膨脹的。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，宇宙究竟屬于哪一種，取決于宇宙中的物質(zhì)密度。物質(zhì)密度越大，萬(wàn)有引力的吸引效應(yīng)就越強(qiáng)，這種吸引效應(yīng)會(huì)使宇宙膨脹不斷減速，密度越過(guò)一個(gè)臨界密度時(shí)，吸引效應(yīng)就會(huì)最終使宇宙的膨脹轉(zhuǎn)化為收縮。

研究表明，如果當(dāng)前宇宙中物質(zhì)的密度大于臨界密度，那么可以斷定我們的三維空間曲率為正，空間是有限無(wú)邊的，宇宙未來(lái)會(huì)從膨脹轉(zhuǎn)化為收縮，也就是說(shuō)我們的宇宙是脈動(dòng)的宇宙；如果宇宙中物質(zhì)的密度等于臨界密度，則可以斷定我們所處的三維空間曲率為零，空間是平直的，無(wú)限無(wú)邊的，我們的宇宙將永遠(yuǎn)膨脹下去；如果宇宙中物質(zhì)的密度小于臨界密度，三維空間曲率為負(fù)，空間也是無(wú)限無(wú)邊的，宇宙同樣將永遠(yuǎn)膨脹下去。

計(jì)算得到的臨界密度大約等于每立方米3個(gè)氫原子。觀(guān)測(cè)表明，我們宇宙的物質(zhì)密度只有每立方米0.3個(gè)氫原子，遠(yuǎn)小于臨界密度。這方面的觀(guān)測(cè)資料支持我們的宇宙會(huì)永遠(yuǎn)膨脹的設(shè)想。不過(guò)，這種膨脹是減速膨脹，也就是說(shuō)，我們宇宙的膨脹速度會(huì)越來(lái)越慢。

然而近年來(lái)的天文觀(guān)測(cè)得出一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)：宇宙的膨脹正在加速。天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，大約在60億年前，宇宙的膨脹從減速膨脹變成了加速膨脹。這是怎么回事呢？

這一發(fā)現(xiàn)來(lái)自對(duì)Ia型超新星的觀(guān)測(cè)。超新星爆發(fā)是大質(zhì)量恒星演化到晚期出現(xiàn)的一場(chǎng)猛烈爆炸，它在1天里發(fā)出的光相當(dāng)于太陽(yáng)在1億年里發(fā)出的光，所以超新星很亮，遙遠(yuǎn)星系中的超新星爆發(fā)我們都能看到。研究表明，質(zhì)量大于七八個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，演化到晚期，如果還能剩余較多的質(zhì)量，就有可能變成超新星。天文學(xué)家建議用Ia型超新星的絕對(duì)亮度和視亮度（我們觀(guān)測(cè)到的亮度）作比較，從而判定這顆超新星所在的星系離我們的遠(yuǎn)近。他們用這一方法重新確定了這些星系到地球的距離。把新得到的距離和紅移作比較，得出了我們的宇宙正在作加速膨脹的結(jié)論。這一結(jié)論目前已經(jīng)被絕大多數(shù)學(xué)者所接受。

宇宙怎么會(huì)加速膨脹呢？膨脹的動(dòng)力來(lái)自什么呢？

天文學(xué)家早就發(fā)現(xiàn)，用牛頓第二定律和萬(wàn)有引力定律解釋銀河系的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)有困難。人們看到，整個(gè)銀盤(pán)圍繞銀心轉(zhuǎn)動(dòng)，盤(pán)上恒星受到的向心力應(yīng)該與它圍繞銀心轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性離心力平衡，二者相等才能維持穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)。向心力應(yīng)該是銀心物質(zhì)施與的萬(wàn)有引力，但從天文觀(guān)測(cè)得出的銀心質(zhì)量不足以產(chǎn)生如此大的萬(wàn)有引力。而且，從銀盤(pán)上離銀心遠(yuǎn)近不同的恒星的轉(zhuǎn)速分別算出的離心力，也不支持銀河系的主要質(zhì)量完全集中于銀心的假設(shè)。

于是天文學(xué)家們猜測(cè)可能存在一種暗物質(zhì)。這種物質(zhì)很奇怪，它不參加電磁相互作用，因而既不發(fā)光，也不擋光，但產(chǎn)生萬(wàn)有引力。暗物質(zhì)與我們觀(guān)察到的可見(jiàn)物質(zhì)不同，并不集中于銀心，而是呈暈狀分布。假設(shè)銀河系中存在大量暗物質(zhì)，就可以解釋銀盤(pán)上恒星的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律了。

應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，暗物質(zhì)不是氣體、塵埃，氣體在光的照射下自身會(huì)發(fā)光，大量的氣體和塵埃還會(huì)擋光，我們能通過(guò)觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)它們。暗物質(zhì)也不是黑洞，黑洞的存在會(huì)對(duì)光的傳播產(chǎn)生影響。暗物質(zhì)就像玻璃一樣，對(duì)光完全透明。為了把氣體、塵埃、黑洞等不發(fā)光的物質(zhì)與暗物質(zhì)明確分開(kāi)，有時(shí)又把暗物質(zhì)稱(chēng)為“冷暗物質(zhì)”，不過(guò)通常仍簡(jiǎn)稱(chēng)為暗物質(zhì)。

近年來(lái)，為了解釋宇宙的加速膨脹，科學(xué)家們又設(shè)想宇宙間存在另一種奇怪的物質(zhì)——暗能量。暗能量與暗物質(zhì)有一點(diǎn)類(lèi)似，就是它也不參加電磁相互作用，因而也不發(fā)光、不擋光，也是透明的。但它與普通物質(zhì)和暗物質(zhì)都不同，壓強(qiáng)是負(fù)的，表現(xiàn)出“負(fù)的引力效應(yīng)”——排斥效應(yīng)，因而能促使宇宙膨脹加速。

科學(xué)家們認(rèn)為宇宙中均勻地存在著暗能量，密度不但各處相同，而且不隨時(shí)間變化。也就是說(shuō)，隨著宇宙膨脹，宇宙空間體積的脹大，會(huì)不斷有暗能量從虛無(wú)中產(chǎn)生出來(lái)，使其密度保持不變。這一點(diǎn)和普通物質(zhì)與暗物質(zhì)也不同。

普通物質(zhì)與暗物質(zhì)是成團(tuán)分布的，它們的空間密度在小尺度（宇觀(guān)尺度以下）上并不均勻。而且，除去宇宙極早期的一段時(shí)間之外，在宇宙膨脹過(guò)程中不再有普通物質(zhì)和暗物質(zhì)從真空中產(chǎn)生，所以它們的密度在宇宙膨脹過(guò)程中會(huì)隨著宇宙體積的增大而減小。

科學(xué)家們認(rèn)為，宇宙中的暗物質(zhì)和暗能量遠(yuǎn)多于普通物質(zhì)，在今天的宇宙中，它們所占的比例大致如圖2所示。

表中的冷暗物質(zhì)就是我們目前科學(xué)界談?wù)摰陌滴镔|(zhì)，它究竟是什么東西，目前不清楚，人們?cè)O(shè)想了許多模型對(duì)它進(jìn)行猜測(cè)。暗能量究竟是什么，也不清楚。許多粒子物理學(xué)家想出了各種奇奇怪怪的暗能量成分，但都不能得到天文觀(guān)測(cè)的支持。另一種可能是，在宇觀(guān)范圍內(nèi)廣義相對(duì)論需要做大的修改，相對(duì)論專(zhuān)家也設(shè)想了多種方案，但同樣未得到觀(guān)測(cè)支持。

最有可能的是，所謂暗能量并不存在，宇宙膨脹加速是宇宙項(xiàng)的排斥效應(yīng)造成的。這就是說(shuō)，廣義相對(duì)論的基本方程——場(chǎng)方程中還是應(yīng)該含宇宙項(xiàng)，愛(ài)因斯坦認(rèn)為他一生所犯的最大錯(cuò)誤（引進(jìn)宇宙項(xiàng)）其實(shí)很可能并不是錯(cuò)誤。

關(guān)于暗物質(zhì)與暗能量的討論仍在繼續(xù)。endprint