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(tuán)之一，吸引科學(xué)家做了無數(shù)理論推測(cè)和研究。比如，科學(xué)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(tái)和XMM-牛頓天文臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行的研究表明，暗能量很可能隨著宇宙時(shí)間的推移而增長(zhǎng)。那么，這位宇宙中“大主角”的真實(shí)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(xué)院高能物理研究所獲得理學(xué)博士學(xué)位。2010年9月～2012年8月在美國亞利桑那州立大學(xué)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(xué)完成第二期博士后。2015年5月通過入選第十一批“千人計(jì)劃”青年人才引進(jìn)回國，現(xiàn)任中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院天文系教授。

李春龍

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院天文系碩士生，導(dǎo)師蔡一夫。

1.驚人發(fā)現(xiàn)：

宇宙加速膨脹是事實(shí)

1998年，兩個(gè)獨(dú)立的天文觀測(cè)小組利用宇宙中的Ia型超新星作為標(biāo)準(zhǔn)燭光，發(fā)現(xiàn)我們的宇宙正在加速膨脹。這是20世紀(jì)天文學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)之一。

20世紀(jì)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(gè)世界所遵循的萬有引力行為，這就是廣義相對(duì)論。在這個(gè)理論中，宇宙演化由引力場(chǎng)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(cè)結(jié)果，利用愛因斯坦引力場(chǎng)方程，便能求解出宇宙當(dāng)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(gè)現(xiàn)階段能加速膨脹的宇宙，這對(duì)我們所能掌握的事實(shí)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(diǎn)，可以設(shè)想我們?cè)诘孛嫦蛱炜罩袙伋鲆活w石塊，由于地球?qū)κ瘔K的吸引作用，石塊的速度會(huì)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(yùn)類似這種情況。現(xiàn)在如果我們給石塊裝上一個(gè)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，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(huì)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(dòng)機(jī)的作用，物理學(xué)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(gè)十分重要的問題。一種最簡(jiǎn)單的設(shè)想是在愛因斯坦引力場(chǎng)方程中增加一個(gè)為常數(shù)的項(xiàng)，稱為宇宙學(xué)常數(shù)，它的意義在于告訴我們真空實(shí)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(dòng)宇宙加速膨脹的動(dòng)力。

雖然宇宙學(xué)常數(shù)的想法足夠簡(jiǎn)單并且與現(xiàn)今的天文觀測(cè)符合得很好，但也存在一些致命的問題。量子場(chǎng)論能對(duì)宇宙中的真空能量進(jìn)行估算。但不幸的是，估算結(jié)果比我們的實(shí)際觀測(cè)，即宇宙學(xué)常數(shù)所對(duì)應(yīng)的真空能量值大120個(gè)數(shù)量級(jí)！因此物理學(xué)家們將之稱為“物理學(xué)史上最糟糕的理論預(yù)言”。此外，在當(dāng)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(jì)算結(jié)果表明只要當(dāng)時(shí)的暗能量比例稍微偏離這一結(jié)果，那么就會(huì)大幅度偏離我們當(dāng)今對(duì)宇宙組分的觀測(cè)結(jié)果了。這意味著對(duì)宇宙開始時(shí)的狀態(tài)要進(jìn)行極其精密的微調(diào)，從而讓我們對(duì)宇宙學(xué)常數(shù)的解釋產(chǎn)生懷疑。

2.面對(duì)挑戰(zhàn)：尋找壓強(qiáng)為負(fù)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(biāo)準(zhǔn)的愛因斯坦場(chǎng)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(shí)間緩慢變化，并且在宇宙中的表現(xiàn)類似宇宙學(xué)常數(shù)，從而可以解釋我們宇宙的加速膨脹現(xiàn)象。宇宙學(xué)家用這種物質(zhì)的壓強(qiáng)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(shí)現(xiàn)宇宙加速膨脹，這個(gè)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(qiáng)需要為負(fù)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(xué)常數(shù)的這一比值正好等于-1。

物理學(xué)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(duì)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(xué)中人們認(rèn)為世界由四種元素構(gòu)成——?dú)狻⑺⒒稹⑼痢６诮裉炜茖W(xué)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?cè)偌由习滴镔|(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(qiáng)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(shí)體的東西，而為了實(shí)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(dòng)能為負(fù)值，而這和我們平時(shí)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(hào)也就不奇怪了。而在第三類暗能量模型當(dāng)中，宇宙學(xué)家將“精質(zhì)”與“幽靈”這兩個(gè)理論設(shè)想結(jié)合在了一起，并各取一個(gè)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(qiáng)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(duì)論的框架，比如引入更高的時(shí)空維度，將我們的三維空間與一維時(shí)間鑲嵌在一個(gè)更高維度的時(shí)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(huì)與標(biāo)準(zhǔn)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(cè)

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(gè)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(xué)觀測(cè)。在傳統(tǒng)的天文學(xué)觀測(cè)中，對(duì)天體發(fā)出的不同種類光的觀測(cè)往往是我們獲得重要信息的途徑。自從成功探測(cè)到引力波以來，人們已經(jīng)進(jìn)入了多信使天文學(xué)時(shí)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(cè)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(cè)相獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)途徑。此外，對(duì)其他可能存在的偏離標(biāo)準(zhǔn)廣義相對(duì)論現(xiàn)象的觀測(cè)，比如牛頓引力常數(shù)是否是一個(gè)真正的常數(shù)，也有助于我們從其他角度來認(rèn)識(shí)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(cè)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(rèn)識(shí)暗能量以及其它與愛因斯坦理論所偏離的現(xiàn)象。一個(gè)多世紀(jì)以前，物理學(xué)上空的一朵烏云——以太漂移學(xué)說與激光干涉實(shí)驗(yàn)之間的矛盾催生出了愛因斯坦的相對(duì)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(rèn)知的巨大飛躍的前夕呢？