暗能量掌控了宇宙的命运?

释放双眼,带上耳机,听听看~!
天文学家布赖恩·施密特(Brian Schmidt)清楚地记得他第一次做出这一惊人发现时的情形,他也因此分享了2011年的诺贝尔物理学奖。那是1997年的一刻,没有兴奋,但却令人惶恐。
Zeeya Merali 文 Shea 编译

可以追溯到宇宙黎明时分的神秘暗能量也会把它撕开。

天文学家布赖恩·施密特(Brian Schmidt)清楚地记得他第一次做出这一惊人发现时的情形,他也因此分享了2011年的诺贝尔物理学奖。那是1997年的一刻,没有兴奋,但却令人惶恐。

就职于澳大利亚国立大学,施密特试图精确测定超新星——爆炸中的恒星,在巅峰时其亮度可以让50亿个太阳黯然失色——的位置。这些明亮的天体可以作为遍布天空的灯塔,帮助天文学家们深入太空,计算宇宙的大小、形状以及质量。

由于施密特的大部分同事遍布全球——在欧洲、南美和美国,这个小组已经发展出了一套24小时接力的方法来分析他们的望远镜数据:在东半球的施密特会工作一整天,然后通过电子邮件把接力棒发送给他在西半球的同事、当时在美国加州大学伯克利分校的亚当·里斯(Adam Riess),后者会在白天继续研究。

在出问题的那个早晨,施密特收到了里斯发来的图,它给出了对超新星距离的最新估计——但结果却在他的预料之外。“我仅用肉眼就能看到发生了什么,”施密特说,“我记得当时在想,‘噢,亚当!噢,亚当!你都干了什么?’”

施密特的怀疑可以原谅。他以为他会看到一条向上弯曲的斜线,从图的左下角到右上角。但实际情况却与之相反,这条线调头向下,就像一条受到惊吓的小狗的尾巴。这一令人惊讶的弯曲告诉施密特,天文学家们可能将不得不重新思考宇宙的运转方式。

当时,施密特认为他对宇宙的演化已经有了很好的认识:它始于一个微小的火球——大爆炸,之后便夹带着星系和超新星向外膨胀。然而,这些天体会像太阳支配地球一样施加引力,把彼此拉回来。就施密特所知,物理定律一直在控制着宇宙的膨胀;是的,宇宙在膨胀,但引力会使其膨胀的速度放缓。

然而,里斯的结果却诉说了另一个故事。奇怪的是,超新星到地球的距离看上去似乎比任何人预期的都更远,这意味着宇宙整体要比天文学们之前意料的更大,就好像引力作用在某种程度上被抑制了。

暗能量掌控了宇宙的命运?
版权:NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab/Science Photo Library。

对此最好的解释却看似荒谬:宇宙的膨胀必定在加速。施密特立即认为这一结论“不合理”。从来没有人看到过能像这样驱动加速的一种力量;他把这个发现视为一个错误。

然而,几个月后这个令人不安的结果却依然存在。更重要的是,一个与他们完全独立的、由美国劳伦斯伯克利国家实验室的索尔·珀尔马特(Saul Perlmutter)领导的团队也发现了相同的结果。2011年,施密特、里斯和珀尔马特因揭示宇宙正在加速膨胀的突破性测量共同分享了诺贝尔物理学奖。然而,尽管对这一结果已经反复琢磨了十多年的时间,但宇宙学家们仍在苦苦挣扎,想了解它是如何发生的。

植根于物理学家在这个问题上的挫折感,他们多少有点异想天开地把宇宙加速膨胀归因于一种未知的“暗能量”,它可以神秘地把空间拉扯开并且可以战胜向内的引力。如果是暗能量正驱动着宇宙的疾速膨胀,那宇宙本身有一天可能会在“大撕裂”中被撕碎。隐藏在这一反引力效应背后的深层奥秘也许是现代物理学中最大的难题,对于“暗能量来自何处”、“它是如何奏效的”或者“它是否真的存在”都还鲜有共识。

膨胀的证据

宇宙膨胀的首批线索可以追溯到近一个世纪前。在那之前,物理学家们仍珍视200多年前艾萨克·牛顿所奠定的宇宙图像,其中空间和时间一成不变且可以被刚性的尺子和时钟精确地测量。根据牛顿的理论,引力是一种力,它能在真空中传播,通过看不见丝线将天体拉到一起。

这一观点受到了阿尔伯特·爱因斯坦的挑战,他在1915年提出了另一种引力理论:广义相对论。在他的框架下,三维空间和时间交织在一起形成了一个四维的结构,由于它会在大质量物体(例如恒星)周围发生弯曲因而可以作为引力源。更小的天体(例如行星)会滚动到这些时空的低处,就像在力的作用下被一个较大的天体吸引一样。

起初爱因斯坦想象宇宙应该是球形且静态的——既不膨胀也不收缩。然而,出乎他的意料,广义相对论方程给出了一个不稳定的宇宙:辐射(或光)与物质精细平衡下的微小变化会让宇宙要么向外膨胀要么向内收缩。意在维持他的静态图像,爱因斯坦引入了一个额外的致稳元素——被称为“宇宙学常数”。通过提供向外的推力,它可以中和在引力的作用下宇宙收缩的趋势。为了使得宇宙静止,宇宙常数多少有点蓄意编造的成分。

但静态宇宙是错误的。

到20世纪30年代,美国天文学家维斯托·梅尔文·斯莱弗(Vesto Melvin Slipher)和埃德温·哈勃(Edwin Hubble)测量了遥远星系的运动,让每个人——甚至包括爱因斯坦——都信服宇宙正在膨胀。斯莱弗和哈勃打开了一扇新的宇宙窗口,一扇天文学家们今天仍在通过其窥望宇宙的窗户。

这一发现的关键是多普勒效应——正是同样的现象使得警车从后面超车经过你时你听到的警笛声会起变化。声音和光都是由波构成的,你听到音调或看到的颜色取决于波长——相继抵达你的两个波峰之间的距离。

19世纪奥地利物理学家克里斯蒂安·多普勒(Christian Doppler)意识到,如果波源在相对你运动,那你测量到的波长就会发生变化。远离你的源所发出的波在抵达你时会被拉长——这会使得声音的频率降低,让光波的颜色向波长更长的红端移动。朝向你运动的源所发出的波则会被挤压——声音的频率会变高,光看上则会变蓝。

1912年,斯莱弗发现他所看到的星系所发出的光都比预期的更红,表明它们的波长被拉长了。这一“红移”意味着这些星系正在远离地球,其红移量则揭示了它们的速度。

施密特指出,计算一个星系距离我们有多远是一件很困难的事情,因为“你不可能在它和我们之间拉一条皮尺。”哈勃做了一个合理的假设,认为每一个星系中最亮恒星的光度都一样——就像瓦数相同的灯泡,于是看上去越暗的距离我们就越远。

这是一个粗糙的假设,因为不是所有的恒星都具有相同的光度,但它大致上是正确的。哈勃发现,来自遥远星系发出的光越红,这些星系飞驰而去的速度就越快。1929年,他宣布这极好地证明了宇宙正在膨胀。

“如果在一个气球上画上小星星的话,你会看到相同的情形,”施密特解释说,“吹大这个气球,每颗星星都会远离其他的——距离越远,移动地越快。”以同样的方式,哈勃的发现则给出了一幅图景,宇宙最初始于致密的状态,但现在就像一个充气的气球在向外膨胀。

点亮宇宙烛光

我与施密特见面是在他鲜有的访问英国之际,当时他当选为伦敦皇家学会的会员,后者是世界上最古老的科学院。他看起来惊人的年轻——几乎天真无邪,金发,蓝眼,圆脸。相比之下,大多数诺贝尔奖得主都是在他们职业生涯末期才得奖的,这使得他们有时间来积聚其研究工作的影响力。但施密特只有46岁,里斯稍年轻一点,珀尔马特则年长几岁。在做出发现之后不久即受到嘉奖正说明了他们的同行对此的高度认同。

施密特对夜空的迷恋始于高中,当时他家搬到了阿拉斯加——他说那里对于天文学来说是一个具有挑战性的地方,因为“在夏天天从来不会黑,而在冬季则比地狱还要冷”。但阿拉斯加有极光——由带电粒子轰击大气在高纬度地区所产生的天然彩色光芒。

他的想象力被点燃了,施密特把观星与他童年的其他爱好——计算——结合了起来。1981年,他的父亲,一位生物学家,买了一台首批IBM个人电脑,14岁的施密特花了两年时间编程计算了何时会发生日食。

几年后,计算机编程这一技能很快就派上了用场。在美国亚利桑那大学读本科时,他编写软件通过筛查望远镜所拍摄到的无数天体光点来寻找超新星,后者要比普通恒星更亮但却只能持续几周。

当时,天文学家仍在致力于精确测定宇宙的膨胀速率,而施密特旨在发现超新星的学生项目则是一个关键。由于哈勃对每颗恒星都有着相同光度这一猜测并不严格,于是为了确定宇宙的膨胀,天文学家们需要更可靠的宇宙烛光——那些他们可以信赖、无论距离地球有多远都具有相同光度的天体。

它们是一类有着和太阳相同质量的恒星死亡时所产生的超新星。在它们的一生中,这些恒星会燃烧氢和氦,由此产生的能量可以抵御由引力导致的向内下落。然而,一旦这些燃料耗尽时,剩余的物质会坍缩到其中心,形成白矮星。

这些天体极为致密——一茶匙的白矮星物质可以重达几吨——其强大的引力可以剥离它近邻恒星的外层物质并拖拽到自己身上。当一颗白矮星的质量达到临界值——1.38个太阳质量,它就会像一颗巨大的热核炸弹那样爆炸。

最重要的是,因为这些Ia型超新星引爆时都具有相同的质量,它们相似的爆炸亮度可以用来指引天文学家。只要测量出这些爆炸有多亮,天文学家们就可以估算出超新星到地球的距离。其光波会因穿行于膨胀空间中而被拉长,它的红移量使得天文学家们能够直接测量宇宙的膨胀。

1989年当时仍是哈佛大学博士生的施密特使用超新星距离标尺得出了宇宙现在膨胀的速度有多快。也正是在那里,他遇到了比他低3年的研究生里斯,他们的导师同为罗伯特·基什内尔(Robert Kirshner)。

里斯也在年少时便迷上了科学。令其父母懊恼的是,他对可怕的实验情有独钟:6岁时,他把蠕虫一切为二,来看它们是否还能不停地蠕动。(确实可以。)后来,他对电产生了兴趣,把一片金属插进了自家插座的两个开口中。“我烧毁了我们家的电路,但我也就此了解了短路,”他笑着说。

用Ia型超新星来追踪宇宙早先的膨胀速度这一想法来自施密特和里斯的熟人——珀尔马特,后者很快也成为了他们的竞争对手。珀尔马特已经发现了7个比当时所见任何Ia型超新星都远上10倍的样本。由于遥远天体所发出的光到达地球需要时间,你所能看到的宇宙越深远,你所看到的宇宙历史就越久远。

测定这些极遥远超新星的距离就可以揭示宇宙在过去膨胀的速度有多快。如果宇宙一直在快速膨胀,遥远超新星的红移就会比近邻超新星的更加显著。

另一方面,如果宇宙一直在缓慢地膨胀,遥远超新星的红移就不会那么明显。通过把非常古老超新星的红移和近处的进行比较,就有可能告诉我们宇宙膨胀的速率是否在改变。“这是一个多么简单的测量,我很惊讶大家之前都没有这样做,”珀尔马特说。

刀口上的宇宙

珀尔马特渴望了解宇宙的最终命运。几十年前,宇宙学家们根据爱因斯坦的方程发现宇宙存在三种可能的命运,具体是命归哪一种则取决于它包含了多少物质——星系、恒星和人。如果可见宇宙的物质密度足够大,宇宙膨胀不仅会减速,还会由于引力最终转向,把可见宇宙压缩进一个无穷小的点——大坍缩。

相反,如果宇宙包含的物质小于这个临界值,那么其膨胀速度虽会放缓但绝不会停止;如果更具戏剧性的话,加速膨胀会让宇宙最终被大撕裂。第三种可能性是宇宙位于上述两种情况之间临界的刀口上,处于一个永久的稳定状态。

这些深层次的哲学问题使得珀尔马特把天文学摆在首位。“还是一个小孩儿时,我就想了解宇宙是如何运转的,”他说。天文学可以通过实验来寻找这些答案。“在时间和空间上宇宙是否永生,还是它最终也会终结?这是每一个小学生都会问的一个问题,”他说。这些问题也许可以回答,因为宇宙膨胀的历史可以通过实验被测定。

试图解决这一问题的首批宇宙学家包括美国麻省理工学院的阿兰·古斯(Alan Guth)以及当时在列别捷夫物理研究所的安德烈·林德(Andrei Linde)。相互独立地,在思索出其他天文谜题的同时,他们得到了同一个诱人的预言,宇宙正好拥有完全平衡的临界密度——位于刀口上。

特别地,宇宙学家们一直在努力想解释为什么无论用望远镜对准哪个方向或者是能看多远宇宙看起来是这么惊人地相似。这个问题出现在天文学家测量了宇宙微波背景——宇宙大爆炸遗留下来的辐射余辉——之后,他们发现它的温度遍布整个天空中只有微小的变化。

天空中相对的两点——例如,北方地平线上140亿光年和南方地平线上140亿光年——是我们可以看到的最远距离。然而,这两者的背景温度却只差了一万分之一。现在的问题是,为什么天空中相距280亿光年的两个地方具有本质上相同的温度?

古斯和林德的回答很优雅:我们的宇宙经历了一个令人难以置信的快速生长过程,被称为暴胀,在大爆炸后仅10-30秒它便使得婴儿宇宙以超光速的速率飞速膨胀。如果这是真的,那么在暴胀发生之前,那时宇宙中相邻的两个地点会靠得足够近并且有足够的时间来平摊它们的温度。然后暴胀会抓住这两个几乎相同的区域,把它们推送到天空的两端,由此解决了宇宙在各个方向上看上去都一样的谜题。

最重要的是,数学计算表明被抹平的宇宙温度的起伏也会使得宇宙具有临界密度——在不断膨胀和最终坍缩成大挤压之间的微妙平衡。但到目前为止,天文学家们只发现能构成该临界密度30%的物质。这意味着,宇宙的70%仍在和天文学家们玩捉迷藏。

里斯想找到它们。

搜寻暗物质

可见宇宙中约70%的物质不知去向看似重大的疏漏,但天文学家们却意识到望远镜也根本就看不见这些潜伏在太空中的物质。对宇宙中存在大量不可见物质的首次确认来自天文学家们发现大量星系的外围部分都存在莫名其妙地快速旋转。

位于这些外围区域中的恒星似乎被远超可见恒星总和更强得多的引力束缚着。最合理的解释是这些星系中包含有被称为“暗物质”的无法被常规手段探测到但却可以施加引力的物质。

里斯想知道是否如宇宙学家们所预言的暗物质占据了宇宙失踪质量的70%。他认为,通过测量宇宙膨胀的速率正在减慢,他可以证明这一点。如果宇宙膨胀正在显著放缓,这将漂亮地证明源于大量的暗物质强大引力在把它往回拉。暗物质究竟有多少反过来则决定了宇宙是否会永远膨胀下去还是最终会挤压成一点。

这是一场测量宇宙膨胀速率的竞赛,需要两个团队进行长期而艰难的望远镜观测和数据分析。1997年初,珀尔马特看到了第一条异样的线索。通过亮度测量,他发现对于给定红移的超新星而言其到地球的距离比之前任何人所想的都更加遥远得多。如果这一发现是正确的话,其寓意将会是令人震惊的:和宇宙学家们预言的宇宙膨胀在逐渐减慢相反,宇宙的膨胀其实正在加速。但在公布这一结果之前,珀尔马特将一而再、再而三的检验这一发现。

与此同时,里斯开发了一个计算机程序可以用来计算宇宙的密度,他也得到了同样奇怪的结果。与确定一个物质约占30%的宇宙——这会使得宇宙永远膨胀下去——相反,他的程序似乎在嘲弄他给出了一个看似荒谬的结果:负30%。这个值在物理上完全不合理。

起初里斯认为他的程序出错了。但他最终意识到有一个可能的解释,一个直到现在还完全没被意识到的解释:通过施加引力或者斥力,也许暗物质并不是唯一对宇宙总密度做出贡献的的“物质”。可能还有其他什么东西。

你有邮件

此时里斯把这幅关键的图通过电子邮件发给了在澳大利亚的施密特,但却不敢告诉施密特他认为这表明宇宙不仅在膨胀而且这一膨胀还在随着时间变得越来越快。有了这一离奇的结果在手,里斯和施密特现在站在了悬崖边上,他们必须重新仔细地审视自己的结果。

不过这个时间对于里斯来说实在不能再糟糕了,因为他不但过几个星期就要结婚了而且在和他未婚妻做最后安排时他还窝在实验室里。“圣诞假期里我还在工作,”里斯笑着说。

到1998年1月初,施密特和里斯达成了一致,认为这一结果是真实的,并告诉了他们的团队。由此里斯也稍事休息,结婚度蜜月。

最终是向全世界公布这一结果的时候了。在当年1月底召开的美国天文学会会议上,珀尔马特的团队公开了表明宇宙加速膨胀的数据,施密特的同事们立刻意识到这与他们得到的结果相符。这两个团队现在彼此一致。在时至今日仍无法被任何物理学理论解释的未知力量的驱使下,宇宙正在以比任何人所想象的都更高的速度膨胀。

“暗能量”一词开始被用来描述驱动这一加速膨胀的机制。但事实上,它只不过是一个标签,彰显的却是物理学家对“它是什么”、“它从哪儿来”以及“为什么它会表现出这样的行为”的全然无知。

2000年,得益于对宇宙大爆炸释放出的微波背景辐射的测量,这一观测结果得到了证实。“飞镖”球载望远镜实验(BOOMERanG)和毫米波各向异性实验成像阵列(MAXIMA)的测量结果显示宇宙的膨胀速度确实在不断加快。

在过去十年中,每一项天文观测都越来越清晰地表明,宇宙的组成为30%的物质——发光物质和暗物质的总和——以及70%的暗能量。里斯对超过70亿年前超新星爆炸的搜寻则填写了空白:由于物质间向内的引力超越了暗能量相对缓和的向外斥力,宇宙的膨胀一开始是减速的。

随着宇宙的膨胀,物质逐渐四散,它们间引力也随之减弱,大约在50亿年前和暗能量达到了平衡,使得宇宙膨胀在一段时间里处于稳定的状态,既不加速也不放缓。在此之后,由于宇宙继续膨胀且没有新的物质在其中创生,物质被进一步稀释,遍布于不断增大的空间里。由于宇宙中物质密度的稳步下降,宇宙的膨胀开始加速。

暗能量的起源

尽管有了这些认识,但物理学家们对暗能量的起源仍一无所知。在一个模型中,宇宙学家提出暗能量起源于量子物理学的模糊定律,后者支配着亚原子世界。量子力学以诡异而著称,因为它指出在你看到一个粒子之前,它不会具有任何属性;相反它可以同时出现在多个地方。

这一内在的任意性意味着,你永远无法肯定地说一个粒子不在这里;甚至想象中的真空也会充满了瞬间冒出来又稍纵即逝的粒子。尽管到目前为止理论预言了远超我们实际看到的能量,但这一翻腾的“虚​​”粒子泡沫确实会增加真空本身的能量。

量子效应能否创造出暗能量?类似爱因斯坦宇宙学常数的某种常数能解释整个现象吗?“正因为如此,宇宙学家们正在试图寻找对暗能量的解释,它们看起来像宇宙学常数,但又不是宇宙学常数,”施密特说。

有一种替代模型被称为“第五元素”(又译作“精质”),它认为宇宙中弥漫着一种场,在宇宙早期的大部分时间里处于休眠状态,但之后慢慢苏醒,仅在最近才开始驱动宇宙的膨胀。因为“第五元素”下暗能量的强度会发生变化而宇宙常数(顾名思义)则始终如一,由此可以来区分这两个模型。

正在与美国宇航局联手打造大视场红外巡天望远镜(WFIRST),珀尔马特将研究之前从未被研究过的更遥远的超新星并探测宇宙更早期的膨胀历史,以此来帮助甄别不同的暗能量模型。通过回溯遥远的过去,他应该能够区别暗能量是一直保持不变的还是会如“第五元素”的预言随着时间发生变化。

“第五元素”仅仅是宇宙常数可能的代替品之一。另一种解释认为,我们的宇宙位于一个黑洞——超新星爆发后留下的超致密恒星残骸——内部。美国达特茅斯学院的宇宙学家斯蒂芬·亚历山大(Stephon Alexander)的计算显示,在受到引力挤压时,亚原子粒子中微子可以形成跨宇宙的超流体,它具有和暗能量强度相当的反引力效应。

它就是暗能量?把中微子挤压成超流体需要在超致密天体内部才能达到的压强,这意味着在这个模型中我们的宇宙必须置身于一个类似黑洞的东西之中。“这看起来很疯狂,但我认为这是底限,”亚历山大说。

寻找超越

面对这些理论以及它们许多的竞争对手,里斯感到困惑。“在过去的十年中,绝望的气氛日渐增长。可以理解,因为这是一个很难的问题。”珀尔马特补充说,“在过去的12年里几乎每天都会有一篇关于暗能量的论文问世。”

但是,与甄别出一个暗能量理论的领跑者不同,里斯计划不带偏见的来搜寻证据。“就像棒球裁判一样,我会保持公正,以我所见来做出评判,”他说。

除了甄别暗能量可能的起源之外,天文观测也将有助于回答珀尔马特、施密特和里斯在1994年所着迷的另一个问题:宇宙的最终命运是什么?人们曾认为宇宙的命运受物质密度掌控,现在看来它要听任暗能量的随意摆布。

如果暗能量继续目前未加抑制的状态,一些理论认为它会把宇宙带入“大撕裂”,撕碎恒星、行星和原子。尽管现在看起来不太可能,但如果暗能量会减小、反向并最终变为引力而非反引力,大挤压——局部宇宙会被挤压进一个无穷小的点——将会重新跃然纸上。

欧洲空间局计划于2020年前发射、旨在研究暗宇宙的“欧几里德”探测器将会为寻找这一问题的解答提供一个机会。8~10年之后“欧几里得”应该会开始产出数据,但珀尔马特警告它也许不会给出我们所预期的答案。“如果经验告诉了我些什么,那就是实验可能会把你引入完全超乎想象的地方。”

施密特指出,在经历了漫长的等待之后,17世纪的牛顿引力理论才步入了爱因斯坦的广义相对论。“要解释为什么存在宇宙学常数,我们需要另一个爱因斯坦——但我们不知道这些真知灼见什么时候会出现,”他说,“可能是明天,也可能还要等上150年。”

[Discover 2013年4月17日]

 

内容来自 火流星

奇点天文转载只用于免费给天文爱好者阅读,如您觉得侵犯文章版权,请联系管理员删除,同时我们也对侵犯您的版权表示歉意。

本文由奇点天文作者上传并发布,奇点天文仅提供文章投稿展示,文章仅代表作者个人观点,不代表奇点天文立场。

人已赞赏
博克体计划天文科普奇思妙想

“费米”眼中的最高能宇宙

2020-12-14 11:42:44

博克体计划奇思妙想宇宙之谜

核物理的突破性发展

2020-12-14 19:46:14

2 条回复 A文章作者 M管理员
个人中心
购物车
优惠劵
今日签到
有新私信 私信列表
搜索