第3章 暗能量是什么?

膨胀的宇宙让人脑洞大开

你也许正困惑于这样的事实:你认为自己很了解宇宙,但你能学到的知识只占全宇宙知识的5%。如果你要去高智能外星生物那里进行标准化考试,那么我们必须承认,你的分数很难考上外星人的大学 14 。我们再回顾一下人类已经知道的东西吧。请看下面的柱状图(不好意思,我们能用的图表类型不多了)。

假设你得到了自己梦寐以求的好房子,它十分宽敞,你非常满意。然后有一天,你发现这其实只是一栋百层豪华公寓最低的5层。突然间,事情变复杂了。这栋楼有27层属于某种非常重但不可见的东西,我们称其为暗物质。它们可能是很酷的邻居,也可能是很怪的邻居。由于某种原因,它们总是躲着你。

剩下的所有68层完全是个谜。宇宙中有68%是物理学家所说的“暗能量”。它是庞大的存在,但我们并不知道它到底是什么。

你可能想知道我们为什么把这种东西叫作暗能量,其实我们怎么称呼它都行 15 。为什么?因为除了知道这东西让宇宙快速膨胀,我们对它一无所知。

接下来你大概会问:“我们怎么知道有暗能量这种东西?”答案是:纯属偶然。发现暗能量对科学家而言完全是个意外,他们原本在试图寻找别的东西。他们在尝试测量宇宙膨胀减慢的速度,却在无意中发现,宇宙的膨胀根本就没有减慢,反倒是在加快。是时候爬上楼梯,找出这些神秘的楼层里到底有什么了。

宇宙为什么会膨胀?

宇宙中超过2/3的能量是在人们寻找其他东西的时候发现的,为了弄明白这是多么神奇和疯狂,我们必须回到最初的问题—宇宙是有最初的状态,还是一直像现在这样?

这看上去也许是一个简单的问题,但事实上它有着非常深远的意义。100年前,大多数明智的科学家认为宇宙显然一直是这个样子,而且永远是这个样子。大多数人甚至无法想象宇宙在变化。对他们来说,所有的恒星和行星都处于一种往复运动的永恒状态,星辰就像挂在屋顶的风铃,宇宙就像一间挂满永不停歇的钟表的房间。

但是某一天,天文学家注意到了一些奇怪的事情。他们测量我们周围恒星和星系的光,发现所有的东西都在远离其他东西。宇宙并没有老老实实待在那里—它在膨胀。

宇宙一直在膨胀,这意味着它现在要比以前大。如果你继续沿着这个思路想,那么将时间往回推,你一定能想到在某个时刻宇宙曾经非常小。

许多物理学家认为这很荒唐,于是将这个理论嘲讽为“大爆炸”。如果他们今天还健在,提起这个理论的时候,他们大概会举起手,翻着白眼,做出引号手势。他们取这个名字本来是想使提出这个理论的人尴尬,但这行不通了。要知道,物理学家变得恶声恶气,意味着有些东西从本质上改变了人类对宇宙的理解。

在1931年,天文学家发现宇宙在膨胀,这意味着它最初可能是非常非常致密的一小点 16 。(注意,这个点并非飘浮在某个更大的空间之中,它本身就是所有空间,详见第7章。)有一些非大爆炸宇宙学理论与宇宙膨胀的现象并不矛盾,但是这些理论的成立需要新物质持续而稳定地产生,以保证宇宙在当前的密度下保持膨胀。

如果宇宙有一个开始,那么它是否会有一个结束?这个巨大、壮丽、精彩、奇特的地方会如何走向终结?更重要的是,你还有时间完成一直在努力创作的小说吗?什么东西能终结宇宙?答案是我们的老朋友——引力。

当宇宙中所有的东西都在大爆炸中向外爆发的时候,引力是朝着相反方向起作用的。宇宙中的每一份物质都会被引力拉扯,引力在尽力让全宇宙回到聚集在一起的样子。这对宇宙的最终命运意味着什么?人们提出了几个不同的理论。

这是令人兴奋的地方。关键在于,这些答案全都不对!宇宙就是这么奇怪,正确答案是神秘的第四选项。正确答案看起来太疯狂了,只有几个科学家曾经考虑过那种可能。

极为强大而神秘的力量在使空间扩张,这使得宇宙膨胀得越来越快。

第四个选项是唯一一个与宇宙观测现象一致的选项。

我们怎么知道宇宙在膨胀?

虽然这是关于宇宙命运的重要问题,但是你不必紧张。无论会发生什么,我们讨论的都是未来几十亿年后的事。你不仅有时间写完你的畅销小说,还能写个续篇。但是,这个问题对我们很重要,因为这种重大问题的答案会让我们更加了解宇宙。有时候,仅仅是提出这些问题,就能让我们发现一些令人诧异的事情,它们还会影响我们的日常生活。比如,你知道自己手机里GPS的工作原理吗?如果爱因斯坦没有提出“物体以光速运动会怎么样?”这个问题,那么我们就不可能用上精确的GPS系统。看似和地球无关的问题促进了相对论的发展。

为了预言宇宙的最终命运,科学家需要知道宇宙的膨胀速度,因此他们会测量周围星系离我们而去的速度。

你应该知道,在一个膨胀的宇宙中,每一件东西都会远离其他东西,而并不只是远离中心。假设宇宙是一片面包,而你是上面的葡萄干。当面包在烘烤中膨胀时,每一粒葡萄干都会远离其他葡萄干,但是葡萄干还是原来那么大。

为了知晓宇宙的命运,我们得知道宇宙的膨胀会不会发生改变。和几十亿年前比,其他星系远离我们的速度是变慢了,还是变快了?我们想知道这个膨胀率是如何随时间变化的。也就是说,我们需要知道物体在过去远离我们的速度,然后和现在进行比较。预测将来是非常难的,但是对天文学家来说,调查过去很容易。宇宙是如此巨大,而光速是有限的,光需要花很长时间才能从遥远的地方来到地球。这意味着非常遥远的恒星发出的光是非常古老的,其中携带的信息也是非常古老的。看这光就看到了过去。 17

这反过来也是成立的。如果外星人在某个非常遥远的行星上通过他们的望远镜观察地球,那么他们看到的是很久以前离开地球的光线。此时,他们可能正在看几年前发生在你身上的囧事(我们就不明说了)。

所以,一个物体越远,它让我们看到的光越古老,我们就越能从中看到遥远的过去。也就是说,如果我们看到非常远的物体以某个速度运动,而近一点的物体以另外一个速度运动,那么我们可以推断,物体运动的速度是随着时间而改变的。我们可以通过遥远恒星的光谱测量它的移动速度,警察会用同样的原理(多普勒效应)给你开超速罚单。一颗恒星远离我们的速度越快,它的光在我们眼中就会变得越发偏红。

想知道天体的距离,我们需要一些科学技巧。以这个问题为例:如何区分一颗很近的暗星和一颗很远的亮星?从同一架望远镜里看,它们是一样的,都像黑暗夜空中的暗淡小光点。事情一直都是这样,直到科学家辨认出了一类特别的恒星,并且确信它们在宇宙任何地方都会做同样的事情。这些特殊的恒星会以同样的速率变大,达到特定大小时,它们会爆炸—准确地说,它们向内崩塌了,但是这个过程太过猛烈,所以会产生大爆发 18 。这类爆发的星被称为Ia型超新星。Ia型超新星的有用之处在于,它们一般以相似的方式爆发。也就是说,经过校准之后,如果你看到一个暗的Ia型超新星,那么它一定离你比较远,如果你看到一个亮的Ia型超新星,那么它离你比较近。这就像宇宙里到处都放着相同的灯塔,从这一点我们就能想象它有多大、多壮观。(宇宙神秘而复杂。)

天文学家称这些Ia型超新星为“标准烛光”(他们就是那么浪漫)。有了这些,天文学家就能知道遥远的物体到底有多远(以及它们有多老),结合使用多普勒效应,他们还能知道这些物体的运动速度。这意味着天文学家们能够测量宇宙的膨胀是如何随时间变化的。

在意识到这些之后,有两个科学团队展开比赛,看看哪一方先测出宇宙膨胀的速率。然而,寻找Ia型超新星是有难度的,因为它们的爆发是一个持续时间不长的过程。为了抓住一颗Ia超新星,你必须持续不断地扫描天空,找出那些突然变得特别亮然后又变得暗淡的亮点。这需要花一些时间。

这两队科学家都假设宇宙的膨胀会减慢或者保持不变。这是合理的。如果宇宙爆发了,而引力在试图把所有东西都拉回来,那就只有两种可能,要么引力胜利,所有东西被拉了回来,要么它失败,所有东西保持稳定的膨胀。

当科学家们展开测量和计算时,他们本以为引力会胜利。也就是说,他们以为自己会发现,相比近处的(较年轻的)恒星(也就是更晚出现的),远处的(较古老的)恒星远离我们的速度更快。让他们感到迷惑的是,事情恰恰相反:比起过去,恒星现在远离我们的速度更快。换句话说,宇宙的膨胀比以前更快了。

让我们花一点时间来想想这个结果有多意外。天文学家想到了两件事:第一,宇宙在很久以前爆发了;第二,引力在试图把它重新拉回去。可是这里还有重要的第三件事,关乎空间本身。我们会在第7章详细地讨论这个问题。空间不是静态的空幕布,供宇宙的剧场在上面演出。它可以弯曲(发生在大质量物体出现时),可以产生涟漪(引力波),还可以膨胀。它的确在膨胀,而且很快。空间在匆匆忙忙地变大。有什么东西在产生更多空间,把宇宙中所有的东西向外推。

我们应该注意到的是,实际结果显示宇宙膨胀在开始的时候的确减慢过,但是在最近的50亿年中,有些东西在促使宇宙中的事物越来越快地相互远离。

这个使宇宙加速膨胀的驱动力就是物理学家所说的暗能量。我们看不见它(所以它“暗”),它把所有的东西都向外推开(所以它是“能量”)。它是宇宙的主要力量,差不多代表了宇宙中所有物质和能量的68%。

宇宙饼图是从哪里来的?

在宇宙饼图中,我们对每一个部分给出了具体数值。5%听起来像是个估计值,但是当你听到暗物质和暗能量的占比时,你肯定知道这些数字不是物理学家瞎猜出来的。那么,人们怎么知道宇宙中到底有多少暗物质和暗能量呢?

对于暗物质,我们不能用之前的方法(引力透镜和自转星系)测量它的各个部分,然后把它们都加起来。这是因为恒星和暗物质并不总是好好地摆在一起,等着我们去测量,总有一些暗物质可能藏在我们找不到的地方。 19

至于暗能量,我们真的不知道它是什么,所以我们不能直接测量它。

虽然我们对这些东西缺乏理解,但我们能用几种不同的办法测量它们的比例,这真令人惊讶。而且迄今为止,不同的测量方法都得到了一样的结果。

推断宇宙有多少暗物质和暗能量的最精确方式是仔细分析一张宇宙婴儿时期的图片,上面是宇宙还是小不点时非常可爱的样子。 20

我们将在后面说一说这张宇宙婴儿图的来历,以及它背后的含意,但是就现在而言,你知道有这样一张图片就足够了。这张图片叫作宇宙微波背景辐射图,翻到下一页,你就会看到它。

好吧,它看起来并不可爱。事实上,它有点杂乱,充满褶皱(就像大多数的婴儿一般)。这张图片抓拍了宇宙形成时逃出来的第一批光子。更重要的是,它们形成的褶皱数量和图案会真实地反映宇宙中暗物质、暗能量和常规物质的比例。换句话说,如果你改变了它们的比例,那么图片中的图案就会不一样。从这张图片中,我们可以推断,宇宙中存在大约5%的常规物质、27%的暗物质和68%的暗能量。其他任何比例都会使图片不一样。

测量暗能量的另一种方法是从宇宙膨胀的速率(这个数字通过超新星的标准烛光测得)中得出结论。我们知道,暗能量在以越来越快的速度把所有东西向外推。通过估算常规物质和暗物质的情况,我们能计算需要多少暗能量才可以实现这样的膨胀。

我们还能通过观察眼前的宇宙结构来判断暗物质、暗能量和常规物质的比例。宇宙通过一种特定的布局把恒星和星系组织在一起。使用计算机模拟,我们能够从宇宙现在的状态回溯大爆炸刚刚结束的时期,看看需要多少暗物质和暗能量才能使宇宙变成我们看到的样子。如果你在模拟中没有设定适当比例的暗物质,那么你就不能得到现在所看见的星系形状,它们在模拟中形成的时间也无法和现实情况对应。暗物质巨大的质量和引力吸引可以帮助普通物质聚集到一起,星系在极早期形成时必然需要这么多的暗物质。如果你试图仅从常规物质和暗物质的角度解释宇宙中的所有能量,而将暗能量设定为不存在(即暗物质占95%),那么你同样无法在模拟中得到符合实际情况的星系。

令人惊奇的是,所有的这些方法都得出了一致的结论:宇宙由常规物质(5%)、暗物质(27%)和暗能量(68%)组成。虽然我们不了解宇宙中的每一个东西,但我们可以信心十足地说,我们知道它们有多少在那里。我们不知道它们是什么,但我们知道它们存在。欢迎来到“精确无知”的年代。

暗能量可能是什么?

我们已经向你展示了暗能量的比例,以及发现暗能量的方法。但是,暗能量到底是什么?我们还不知道。我们知道它是一种力,当前它正在使宇宙膨胀,把宇宙里所有要紧的东西向外推。此时此刻,它推着我,推着你,推着我们知道的所有东西互相远离 21 。不过,我们还不知道它是什么。

当前流行的观点是,暗能量来自空的空间的能量—没错,空的空间。

当我们说什么东西是空的时,我们的意思是那里面没有“东西”。说得专业一点,我们认为东西是空的反面。星系之间有些空间没有物质粒子,甚至没有暗物质。现在,请考虑这个情况:如果这个空的、没有物质的空间有能量(比如一缕红光或者嗡鸣一样的声波),那会怎么样?别问为什么,它就是有能量。如果这就是事实,这个能量就能提供一个引力效应,把宇宙向外推。

这听起来有点荒唐,却有着令人意外的合理性。事实上,在量子力学里,真空能量的存在很自然。根据量子力学,小物体(比如粒子)和大物体(比如人和腌菜)的世界运行规则很不一样。微粒可以做到腌菜做不到的事,比如拥有不确定的位置,比如穿过不可逾越的障碍,比如在被观测和不被观测的情况下呈现不同的样子。还有,根据量子物理,粒子可以在本来空的空间里从能量中突然出现然后又退回去。

量子力学给了我们不同的世界,相对论使我们放弃了绝对空间和时间的想法。既然如此,我们为什么不能接受看起来空的空间实际上充满了可以把宇宙推开的真空能量呢?

但这个解释存在一个问题:根据量子力学计算空的空间应该有多少能量时,科学家得到了一个太大的答案。这不是有一点大,而是大了1060 ~10100倍。这简直就是个古戈尔普勒克斯(googolplex,你可以自己去查一下这个词的意思)。人们估计整个宇宙的粒子数也就1085个。应该说,这个解释有点过头了。

暗能量还有其他解释,比如渗透到空间中的新型力或者特殊场(就是像电磁场那样的场)。这些作用场中有一些在概念上随时间变化,以解释宇宙的加速膨胀为何开始于50亿年前。这类理论有许多不同的版本,它们的共同点是很难验证。毕竟,这些作用场中有一些不与我们的粒子相互作用,我们很难探测它们。有些作用场可能会有新的特征粒子(就像希格斯场有希格斯粒子),但是那些粒子质量非常非常大,远超我们目前能测量的范围。那到底有多大呢?它们比我们以前见过的粒子都重,但是没有你家猫重。

这类理论都处于发展初期,它们仅仅是最早的原型理论,引导科学家发现更好的解释,直到我们最终了解宇宙中的大多数能量。通过比较,暗能量使暗物质看起来简单而且易于理解—至少我们知道它是物质。毫不夸张地说,暗能量可能是任何东西。如果500年后的科学家回过头来看今天的我们,我们当前关于暗能量的讨论可能让他们觉得滑稽,就像我们现在看原始人解释恒星、太阳。听古人说天气和上帝穿的长袍相关,我们也会觉得离奇。我们知道有强大的力量存在,它超出了我们的理解能力。关于宇宙,还有很多东西等着我们去学习。

这对未来意味着什么?

如果宇宙因为暗能量膨胀得越来越快,那么所有的东西每天都在更快地离我们远去。随着膨胀持续加速,宇宙中物体互相远离的速度最终会超过光速。这意味着恒星的光无法再传播到我们这里。今天,我们能够在夜空中可见的星星已经比昨天要少了。由此可知,在几十亿年后,夜空就只有几颗可见的星星了。有朝一日,夜空可能只剩一片漆黑。

假如你是未来的科学家,你将如何在无法看见恒星和星系的情况下知道它们的存在? 22 如果膨胀继续下去,它可能撕裂太阳系、行星,甚至你重重重孙子的手机。不过,我们对于宇宙膨胀的原动力所知甚少,宇宙膨胀也有可能变慢。

但这会使你思考:如果夜空中曾经有更多繁星,那么我们是否错过了什么原本明显的真相?

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