探尋宇宙的黑暗面

陳厚尊

暗物質決定了宇宙今天的形貌

暗物質，尤其是冷暗物質的演化，決定了如今我們所見宇宙的模樣。這是天文學家研究暗物質多年以后達成的一個共識。21世紀初，許多新上馬的大型巡天項目都證實了一件事：星系在宇宙空間中的分布并不均勻，而是排列成一些巨大而怪異的片狀結構或纖維狀結構，前者稱為星系墻，后者稱為星系纖維。這是目前已知的宇宙中最大的結構。而在更大的尺度上，宇宙的物質分布就變得均勻了。事實上，宇宙的均勻性和各向同性也是現代宇宙學的兩個基本假設。典型的星系纖維尺度約為3億光年，幾條星系纖維相接的點稱為節點，是宇宙中物質密度最高的地方。纖維和墻圍成的區域稱為空洞，空洞內的星系密度遠低于纖維和節點。那里沒有恒星，沒有星云，就連暗物質都很難偵測到，堪稱宇宙中最荒涼的地方。星系墻、星系纖維、節點和空洞合稱為宇宙的大尺度結構（LSS，Large-scale Structure）。

宇宙中的星系團為什么會組成墻、節點、纖維、空洞等大尺度結構？威爾金森微波各向異性探測器繪制的全天微波背景輻射分布圖，展現了宇宙大爆炸后38萬年背景輻射能量的全天分布情況。彼時，對應的紅移值約為1100（大爆炸時對應的紅移值是無窮大）。由于時空的膨脹效應，宇宙中輻射的波長一直在拉長。當宇宙年齡為38萬歲的時候，物質與輻射間發生了退耦。這意味著輻射光子可以在時空中自由穿行，成為一種背景輻射，蔓延至太空的各個角落。我們的宇宙第

一次變得澄明起來。威爾金森微波各向異性探測器發現，宇宙微波背景輻射具有高度各向同性的同時，還存在一些微小漲落，漲落幅度小于平均值的千分之三。這是宇宙早期物質的密度漲落在微波波段留下的痕跡。它表明，宇宙大爆炸后38萬年，物質密度的擾動還不足千分之幾。那么，這區區千分之幾的密度漲落“種子”，是如何演化成今日彌漫宇宙各處的節點、纖維和空洞等大尺度結構的呢？通過計算機數值模擬，天文學家發現，單靠重子物質間的引力凝聚作用，大爆炸

后138億年的宇宙仍舊一片黑暗，連一顆恒星也誕生不了。寒冷而稀薄的物質如同淤泥般均勻，了無生氣。若現實如此，那生命和人類也就不復存在了。

目前的觀測表明，許多星系和類星體是在紅移值1至6期間形成的，在紅移值6至11之間形成的星系或類星體非常稀少。迄今，哈勃空間望遠鏡觀測到的最遠天體，是一個編號為GN-z11的高紅移星系，其紅移值達到了11.09，相應的到地球的距離約320億光年。它的光芒來自大爆炸后僅4億年。有天文學家認為，宇宙中最早一批誕生的天體可追溯至紅移值20至30時期，它們屬于所謂的星族Ⅲ天體，但目前還沒有直接的觀測證據證明這一點。現在，人們常把紅移值10至1000的

時期稱為宇宙的“黑暗時代”（Dark Ages），因為在此期間，除了彌漫太空的背景輻射外，沒有任何發光天體被觀察到。天文學家對這一時期宇宙中究竟發生了什么幾乎一無所知。不過可以肯定的是，冷暗物質的引力聚集效應在大尺度結構的形成和演化過程中起到了決定性作用，它大大加速了正常物質的凝聚進度，使宇宙僅用4億年便走完了它的“黑暗時代”。

暗物質與星系形成

從物理學的角度看，以冷暗物質為主導的星系和宇宙大尺度結構的形成過程很復雜，其中需要考慮的物理機制和反饋效應非常多。除此之外，占宇宙物質總量絕大部分的暗物質的本質到現在也不很清楚，只能先做某些假設。由于這些方面的原因，以大型計算機為基礎的超大規模宇宙學模擬已經成為星系形成和宇宙大尺度結構研究領域中越來越重要的手段。圖3展現的是一幅典型的宇宙大尺度結構模擬圖。對比圖1和圖3可以發現，兩者的相似度很高。這是數值模擬技術的偉大勝利，它至少證明接下來我們講述的宇宙大尺度結構的演化圖像，與“黑暗時代”曾經發生過的真實情形，在某種程度上是比較接近的。

首先，冷暗物質與輻射發生退耦的時間點非常早。目前，天文學家尚不清楚冷暗物質粒子（WIMPs）之間除了萬有引力外，是否存在弱相互作用。若猜測屬實，那么，冷暗物質與輻射間的退耦應發生于輕子時代。彼時，宇宙的溫度約為1011K，年齡只有幾百分之一秒。此后，冷暗物質便以暴脹時代遺留下來的密度擾動為“種子”，開啟了獨立的演化進程，直至今日不曾間斷。要知道，在輕子時代，構成你我的普通重子物質才剛剛從大統一方程（GUT）的余燼中沉淀出來，還是一鍋等離子體的熱湯，弱相互作用與電磁相互作用扭結在一起難分彼此。總之，除了暗物質以外，一切還都處于混沌未分的熱平衡中。

沒有了輻射的驅散作用，冷暗物質粒子想要在萬有引力的作用下發生凝聚，還必須克服宇宙自身的膨脹效應。理論分析表明，后者在某種程度上確實能延緩冷暗物質的坍縮進度，卻無法徹底阻止它。在今天，人們喜歡用“無摩擦的坍縮流體模型”來描述冷暗物質的凝聚過程，原因是摩擦作用本質上也是一種電磁相互作用，而暗物質粒子是不參與電磁相互作用的。因此，冷暗物質不能像正常的星云那樣以熱輻射的形式耗散掉多余的引力勢能，只能將其轉化為WIMPs的動能。一般來講，均勻分布的暗物質在三個空間方向上的坍縮速度總是有些許差別的。當第一個方向（也就是坍縮速度最快的方向）坍縮完畢后，原本均勻分布的暗物質就會形成類似片狀的結構；片狀的暗物質繼續收縮，當第二個方向也坍縮完畢的時候，就變成了纖維狀；纖維狀的暗物質繼續收縮，從中部扯斷了原先的纖維，最終演化成高密度的節點。至此，所有觀測到的宇宙大尺度結構都依序出現了。重子物質與背景輻射的退耦發生于大爆炸后38萬年，此時，冷暗物質的坍縮格局業已形成。在后者強大的引力作用下，占所有物質比例不到1/6的重子物質紛紛落入冷暗物質提前架構好的引力勢井內，并很快催生出了第一代恒星、星系和類星體，結束了宇宙的“黑暗時代”。

這便是暗物質演化的全部秘密嗎？恐怕不是。整個故事雖然表面上看起來順理成章，但其中的許多環節還經不起推敲，甚至與實際觀測存在出入。目前，天文學家仍在不斷打磨這個故事，仔細考察它的每一個環節。這并非簡簡單單的完善和修補工作，而是一個重新解讀、重新認知的階段。說不定在打磨故事的過程中，天文學家會找到探秘暗物質本質的金鑰匙。筆者始終相信，時至今日，人類距離揭開暗物質神秘面紗的一天已為期不遠！

何為暗能量

說完了暗物質，我們再來說說暗能量（Dark Energy）。時間回到20世紀八九十年代。當時，以愛因斯坦場方程為基礎的標準宇宙學模型遇到了一個尷尬的困難，即：對于一個純粹由物質（包括輻射）構成的宇宙，根據弗里德曼方程組計算出的宇宙年齡只有大約93億年，這比銀河系里的許多白矮星和球狀星團的年齡還要小。這明顯是荒謬的。直到1998年，來自美國的兩個超新星研究小組，即超新星宇宙學項目組SCP和高紅移超新星搜尋組，仔細測量了河外星系里爆發的幾十顆高紅移的Ia型超新星（參見圖4），結果發現，這些高紅移超新星遵從的“紅移—視星等關系”顯示目前的宇宙似乎正在加速膨脹，而且，加速因子的數值與當時人們普遍認為的平直宇宙和開放宇宙都不同，而應當是一個宇宙學常數項Λ 不為零的平直宇宙。正是由于這項發現，兩個超新星研究小組的三名天文學家：索爾·珀爾馬特、布萊恩·施密特和亞當·里斯共同分享了2011年度諾貝爾物理學獎。令人欣喜的是，宇宙加速膨脹的事實使得宇宙年齡的矛盾得以解決。理論分析表明，加速膨脹的宇宙年齡比沒有加速膨脹的宇宙年齡更長，約為137億年。根據2013年發射的普朗克衛星發回的最新數據，宇宙年齡的精確值被進一步修正為138.2億年。

那么，宇宙學常數項Λ不為零代表的含義究竟是什么？單從數學的角度看，愛因斯坦場方程里的Λ只是一個無法被人為排除的平庸項，像是不定積分公式里甩不掉的“常數尾巴”，它的取舍只能取決于實際的天文觀測。從物理的角度看，Λ不為零代表了真空本身也具有一份恒定不變的能量，即所謂的暗能量。熱衷愛因斯坦八卦野史的讀者或許聽說過，為了得到一個與其心目中的“靜止宇宙”相符的理論模型，愛因斯坦曾經武斷地設定了一個Λ的數值，甚至還給出了計算

公式。可是沒過幾年，美國天文學家埃德溫·哈勃便根據河外星系的紅移數據發現了宇宙膨脹的事實，而沒有宇宙學常數項的愛因斯坦場方程恰好能描述這個膨脹的宇宙。這一下，愛因斯坦覺得自己犯下了一個十分愚蠢的錯誤（以后人的角度看，愛因斯坦此生最大的錯誤其實是對量子力學的反駁和嘲弄，而非添加宇宙常數）。不過，歷史的發展總是非常具有戲劇性，后世的物理學家發現，宇宙學常數Λ不為零的愛因斯坦場方程恰好可以給出宇宙加速膨脹的合理解釋！

事實上，針對暗能量和宇宙的加速膨脹，物理學家也曾經從量子理論出發，試圖給出其他解釋，其中多數涉及真空本質的問題。只可惜，這些解釋中沒有一個比愛因斯坦場方程更簡潔、更具說服力，因此沒有得到廣泛認可。根據弗里德曼方程，宇宙的膨脹一旦被真空能主導，就會以指數形式永遠膨脹下去。有趣的是，宇宙上一次以指數形式膨脹，還是在極早期的暴脹時代，二者在形式上有頗多相似之處。不過，由真空能主導的指數膨脹要“溫和”許多，它將引導我們的宇宙走向所謂的“熱寂”狀態。許多物理學家都對這一結果深感失望和不安，似乎在人們的潛意識里，一個有始有終、無限循環的宇宙才是完美的。可是，物理學的規律從來不以人的意志為轉移，曾幾何時，就連愛因斯坦也認為我們的宇宙應當是靜止而永恒的。

今天，不為零的宇宙學常數Λ已被現代宇宙學模型吸納，進一步結合前面提到的冷暗物質模型，現代宇宙學模型又被稱為ΛCDM模型。

暗能量的本質是什么

如前所述，從物理學的角度看，Λ不為零表示真空本身也具有一份能量，即真空能，其密度不隨宇宙的膨脹發生變化。因此，在宇宙膨脹早期，宇宙學常數項Λ對宇宙演化的影響可以忽略。直到最近幾億年，其作用才突顯出來。事實上，真空具有一定能級的想法由來已久。早在量子力學創立初期，物理學家就注意到，幾乎所有的量子體系都有一個神秘的零點能（Zero-point Energy）。后來才知道，這是真空具有的能級，是不確定性原理的必然推論。從量子場論的角度看，所謂的真空其實是一種場的基態。這意味著在一定條件下，真空可以被激發，可以創生出物

質。20世紀80年代初由古斯和林德等人提出的暴脹宇宙學模型就建立在“真空相變”的假設上。根據這一理論，大爆炸發生后，我們的宇宙曾經歷過一輪規模巨大的真空相變，原先的真空在一瞬間進入過冷態，在此期間，宇宙的尺度在10-33秒內急劇膨脹了1043倍，從微觀尺度瞬間成長為宏觀尺度！巨大的真空相變潛熱將整個宇宙重新加熱了一次，并留下了前文提到過的原初物質密度漲落。暴脹模型為我們描述了一幅極不尋常的宇宙早期圖景，雖然在理論上還有許多問題有

待探討，但暴脹模型完美地解決了20世紀標準宇宙學模型遇到的“視界”和“平性”兩大疑難。目前，該模型原則上已被國際學術界廣泛接受。

利用量子力學的不確定性關系，也可以粗略估計一下真空的能量密度，但是所得結果與實際的觀測相差了120多個數量級。這意味著一個發生概率完全可以看作是零的事件，竟然變成了現實。這樣的偶然性很難讓人接受。為了調和理論與觀測間的巨大分歧，物理學家也提出了一些可能的機制，比如，費米子和玻色子對真空能量密度的貢獻是相反的，由于對稱性破缺，兩者并非百分之百抵消，而是殘余一個小量，即今天觀測到的暗能量。目前這些還只是猜測，并未得到證實。這暗示我們，現代物理學有關真空的認識很可能也存在根本性的錯誤，看似虛無的真空實際上蘊藏了許多奧秘。而要真正破解這些奧秘，恐怕就要寄希望于傳說中的量子引力論了。