神秘暗能量主宰宇宙命运:可以把宇宙撕碎

2021-02-23

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神秘的暗能量出现在宇宙诞生破晓时分,它可以让宇宙稳定,也可以把宇宙撕碎。

天文学家布莱恩·施密特静静地回忆起那个使他获得2011年诺贝尔物理学奖的惊人发现。那是1977年的某个瞬间,没有欣喜,只有忧虑。

施密特是堪培拉的澳大利亚国立大学斯特罗姆勒山天文台的天体物理学家,在超新星领域有特殊贡献。超新星是演化到末期的恒星发生剧烈爆炸的产物,最亮的时候相当于50亿个太阳。这些明亮的天体是浩瀚星海中的灯塔,天文学家通过观测超新星能够测量宇宙的尺寸、形态和质量。

施密特的同行们分布在世界各地——欧洲、南美洲、美国等地区,他们的团队在一天里每个时间段都有值班的科研人员,以确保第一时间分析望远镜的数据。施密特在东半球需要工作一整天,随后发邮件给西半球加利福尼亚大学伯克利分校的同事亚当·里斯,由他进一步研究这些数据。

因研究宇宙膨胀和暗能量而获2011年度诺贝尔物理学奖的几位科学家:布莱恩·施密特(左),亚当·里斯(中)和萨尔·玻尔马特(右)

在一个繁忙的早晨,施密特收到了里斯传来的一张图表,涵盖超新星距离的最新估测——但这些数据和他的预期迥然不同。“我只需凭借双眼就能知道发生了什么。”施密特说:“当时我脑海中跳出一句话:噢,亚当!你做了什么?”

我们应该理解施密特的疑虑。他以为可以看见一条从左下方朝右上方倾斜的曲线。而实际上这条曲线是向右下方倾斜的,犹如一条受惊的狗尾巴。施密特因此愁眉不展,隐约感觉天文学家应该重新思考宇宙的运行方式。

当时,施密特认为他对宇宙的演化理论已经成竹在胸:宇宙始于一个极端微小而充满能量的奇点——也是大爆炸的点——从此不断向外扩张,膨胀的空间带着星系和超新星一起延伸和拓展。这些天体在引力的作用下相互拉扯,就像太阳束缚住地球一样。据施密特所知,这样的物理定律让疾驰的宇宙逐渐平静下来;宇宙仍然在膨胀,但引力使膨胀速度变小了。

然而,里斯所得出的结论却演绎出另一个故事。超新星同地球的距离比任何人预期的都更远,这表明宇宙比天文学家先前认为的更大,引力的拉扯力似乎被一种更强大的力量征服了。

最佳解释听上去好像很荒谬:宇宙在加速膨胀。斯密特对此结论的评价是“愚蠢”。谁都没有观测到能够让宇宙加速膨胀的力,因此,他认为这个发现一定是哪里出错了。

几个月后,这个令人不安的观念仍然存在。更重要的是,另一个由加州劳伦斯伯克利国家实验室的萨尔·波尔马特带领的独立团队也得出了相同的结论。施密特、里斯和波尔马特对超新星突破性的测量揭示了宇宙加速膨胀的事实,2011年,他们共同获得了诺贝尔物理学奖。

物理学家为推动宇宙加速的力量安上了一个异想天开式的名字——暗能量,它对抗引力的束缚,将宇宙空间向外推挤。如果暗能量是宇宙疾速膨胀的幕后推手,那么总有一天宇宙自身会在一场“大撕裂”中分崩离析。有关“反引力效应”的谜团正是现代物理学中的最大的困惑——暗能量来自哪里?它如何推动宇宙膨胀?它是否真的存在?对于这些问题,学界全都没有达成共识。

宇宙的历史。时间和空间从大爆炸开始,在经历初期的膨胀后,便进入了加速膨胀过程

膨胀的证据

第一个暗示宇宙膨胀的证据可追溯到几乎一个世纪前。在这个证据出现之前,物理学家仍然死死握住200多年前艾萨克·牛顿提出的宇宙模型,其中,空间和时间都是永恒稳定的,并可用严格的尺规和时钟精确测量。根据牛顿的理论,引力是一种能够在虚无的空间中穿行的力,这种无形的力量将天体拉扯到了一起。

爱因斯坦在1915年提出的另一个关于引力的理论——相对论,挑战了牛顿的宇宙模型。在爱因斯坦的理论框架中,三维的时空交织在一起创造了一个四维的大尺度网状结构,这成了引力的发源地。时空在大质量天体(如恒星)周围会发生扭曲;而更小的天体,比如行星,则嵌入时空,仿佛被一种力量推向更大的宇宙结构。

起初,爱因斯坦想象中的宇宙是球状且静止的,不会膨胀也不会收缩。令他吃惊的是,广义相对论导出的却是一个不稳定的宇宙:一个微小的变化就能打破辐射(如光)和物质之间的平衡,使宇宙向外膨胀或向内收缩。爱因斯坦为了坚持它的静止宇宙模型,便引入了一个稳定的参数,称为“宇宙常数”——它能抵消宇宙随引力收缩的趋势。宇宙常数只不过是一个为了使宇宙保持静止而捏造出来的参数。

但静止宇宙模型是错误的。

直到1930年,美国天文学家维斯托·梅尔文·斯里弗和埃德温·哈勃测量了遥远星系的运动,说服了所有人——包括爱因斯坦——不论如何,宇宙在膨胀。斯里弗和哈勃为人类开启了一扇崭新的宇宙之窗,迄今为止,天文学家仍旧通过这扇天窗观测宇宙的过去和现在。

斯里弗和哈勃的结论基于多普勒效应,就是使鸣笛的汽车在接近和远离我们时音调发生变化的效应。声音和光都由波组成,你听见的声音和你看见的颜色取决于它们的波长,即两个连续波峰之间的距离。

19世纪的奥地利物理学家克里斯琴·多普勒发现,当你所观测的波源相对于你处于运动状态,它的波长就会发生变化。离你远去的波源发出的波会延长到达你处的时间,因而降低声波的音高,或将光的颜色向更长波长的光谱移动,即红移;向你靠近的波源发出的波则会被挤压,因而提升声波的音高,或使光发生蓝移。

1912年,斯里弗发现所有他能观测到的星系的光都比预期的更“红”,表明光波被拉伸了。红移意味着这些星系都朝远离地球的方向移动,而红移的大小则揭示它们的退行速度。

我们很难测量出星系的距离,施密特补充道,“因为你不可能放把尺子在星系和地球之间。”哈勃的推算基于每个星系中拥有相同光度的明亮恒星,它们就像相同瓦数的灯泡一般,越暗淡,距离越远。

这是一个非常粗糙的假设,因为不是所有恒星都具有相同的亮度,但这个假设基本成立。哈勃发现遥远星系发出的光越“红”,星系退行的速度就越快。1929年,他将宇宙膨胀的证据公之于众。

“用气球做比喻更容易理解,气球上事先画好的点就相当于宇宙中的星系。”施密特解释:“把气球吹起来,气球上的点开始相互远离——它们离得越远,相互退行的速度就越快。”哈勃的发现同这样的宇宙模型相契合:宇宙诞生初期非常紧凑,如今就好比一个不断膨胀的气球。

宇宙中的烛光

作为世界上最古老的科学研究院——伦敦皇家协会的成员,施密特看上去非常年轻,几乎可以用“无邪”来形容。他的头发是金色的,眼睛是蓝色的,脸颊非常饱满。这和多数科学家在经历岁月洗礼、建立学术威望的职业尽头才获诺贝尔奖形成了鲜明对比。施密特只有46岁,里斯则更加年轻,波尔马特年龄稍微大些。

施密特在高中阶段开始着迷于夜空,那时他随父母搬往美国阿拉斯加定居。用他自己的话说,那里“夏季天空从来不会变得黑暗,冬季则比地狱还寒冷”,因此是一个适合天文观测的地方。当电离粒子撞击地球大气,阿拉斯加上空还会出现绚烂的北极光,这是高纬地区特有的景象。

施密特的想象力从那时开始爆发,他把观星和另一个爱好——电脑——结合起来。1981年,一位生物学家买来了第一台IBM的个人计算机,14岁的施密特把两年的时间花在电脑上,计算出日食发生的日期。

几年之后,施密特成为了图森市亚利桑那大学的学生,他在计算机编码方面的特长也派上了更大的用场。他用自己编写的软件筛选望远镜观测到的亮点来辨认超新星——那些比普通恒星更明亮、发光时间通常只有几星期的亮点。

当时,天文学家仍然想要找到宇宙减速膨胀的证据,而施密特寻找超新星的研究计划则是关键。由于哈勃关于每颗恒星都具有相同的亮度的猜测并不完全正确,天文学家建立宇宙膨胀模型就需要更多可靠的宇宙之烛——那些不论离地球多远都能够以相同亮度燃烧的天体。

科学家把目光投向一类由死亡恒星演变而成的超新星——它们的质量和我们的太阳大致相同。在它们整个生命阶段,它们依靠燃烧氢和氦来取得能量,以抵抗自身引力而不向内坍缩。这些燃料一旦消耗殆尽,残余物质就会向中央区域坍缩,恒星最终变成了白矮星。

白矮星这种大质量天体非常致密,一茶匙物质就有好几吨重,它们强大的引力能吸食邻近恒星外围的物质,占为己有。当白矮星的质量达到了临界值,即1.38倍太阳质量,它就会像一个巨大的热核炸弹一样发生剧烈爆炸。

这类超新星被称为1a型超新星,它们达到质量临界值时就会被引爆,爆炸的亮度非常相似,是天文学家观测宇宙的指路明灯。只需测量这类超新星爆发时的亮度,就能估算它们和地球相距多远。我们知道,光波在膨胀的空间中会被拉伸,所以天文学家根据红移便能直接丈量宇宙的膨胀。

1989年,施密特在哈佛大学攻读博士期间,便根据超新星的距离计算出了宇宙膨胀的即时速度。在此期间,里斯是低他三个年级的师弟,由同一导师罗伯特·科什纳指导。

里斯同样是在小时候就深深爱上了科学。他渴望亲自做充满危险的实验,这令他父母非常担心。六岁时,里斯把蚯蚓切成两段,并观察它们是否还能继续爬动(蚯蚓真的没有停止扭动)。不久之后,里斯又对电产生了好奇,他在两个家用插座接口之间插了一条金属片。“我把家里的电路弄坏了,不过我从中学到了什么是短路。”里斯大笑道。

利用1a型超新星探测宇宙膨胀的想法在施密特和里斯相遇后愈发强烈,他俩也因此迅速同波尔马特成为竞争对手。波尔马特当时已经确认了7颗1a型超新星,它们的距离都比先前科学家看到的远10倍。由于遥远天体的光到达地球需要时间,你的目光越深入苍穹,展现在你眼前的宇宙历史就越丰富。

为这些遥远的超新星精确定位,有助于揭示宇宙在过去膨胀得有多快。波尔马特说:“如果宇宙曾快速膨胀,遥远超新星的红移就会比邻近的超新星更显著。另一方面,如果宇宙在以较慢的速率膨胀,遥远超新星的红移则不会那么明显。”通过比较遥远和邻近的“恒星尸体”的红移,还可能测得宇宙膨胀的速率是否曾发生改变。“这是一种很直接的测量方法,而其他人居然都没用过,当时我就震惊了。”波尔马特回忆道。

刀口上的宇宙

波尔马特强烈渴望找寻宇宙最终命运的真相。几十年前,宇宙学家凝视着爱因斯坦的方程式,推导出宇宙命运的三种可能性——这取决于宇宙中星系、恒星的数量。如果宇宙中物质的密度足够大,宇宙就不仅仅会减慢膨胀速度,而且会在引力作用下收缩成一个极小的点——这就是“大坍缩”。

而如果宇宙所包含的物质数量在临界值之下,则膨胀虽然会减少,但永远不会停止;如果膨胀非常剧烈,或加速膨胀,宇宙则会终结于“大撕裂”。第三种可能的情况是物质正好处于临界值(这个值好比一个尖尖的刀口),宇宙将永久保持稳定状态。

正是这些深奥的哲学问题引领波尔马特踏入了天文学的门槛。“在我小时候,我总想读懂宇宙。”他说,“宇宙会在时间和空间中永远存在下去吗?它会有终点吗?这可能是每个小学生都会问的问题。”他说,根据宇宙膨胀的历史,我们能从实验中推测未来,因此,这个问题是可能获得答案的。

首位尝试解决这个问题的宇宙学家,是麻省理工学院的阿兰·古斯和当时在莫斯科列别捷夫物理研究所工作的安德烈·林德。他们各自独立得出相同的推论:宇宙恰好在刀口——临界密度处于平衡。

宇宙学家发现无论把望远镜对准哪里,无论看得多远,宇宙看上去总是相似的——这是他们尤为关注的,也是一直在努力解释的疑惑。这个谜团是在天文学家测量宇宙微波背景辐射(宇宙大爆炸后残留的辐射)之后跃入眼帘的。在整个天空中,微波背景辐射的温度仅存在非常微小的差异。

两个方向相反的点限制了我们能观测到的范围——北面140亿光年的地方和南面140亿光年的地方。在这两端之间,微波背景辐射温度仅相差万分之一。问题来了,相隔280亿光年远的两个区域何以拥有相同的温度?

古斯和林德的答案很优雅:我们的宇宙曾经历一段暴涨时期,即在宇宙大爆炸后的10-30秒,处于婴儿阶段的宇宙扩张速度超越了光速。如果真是这样,这两个端点在暴涨之前一定挨得很近,有足够的时间在热传递中保持一致的温度。接着,暴涨撕裂了所有温度大致相同的点,把它们掷向相反的两端——这就解释了为什么宇宙在每个方向都如此相似。

重要的是,数学推导表明宇宙中被“熨平”的温度同样会导致宇宙处于临界密度,即微妙地保持在继续膨胀和向内坍缩之间的平衡状态。但至今为止,天文学家所发现的物质仅占临界密度的30%,这意味着还有70%的宇宙在和我们躲猫猫。

里斯很想找到这个问题的答案。

寻找暗物质

对天文学家来说,未能在可见的宇宙中观测到那70%的物质似乎是个巨大的疏漏。天文学家明白,望远镜不可能捕捉到潜伏在宇宙中的一切。当他们发现大量星系外围物质的旋转速度都快得不可想象时,才意识到宇宙中多数物质都是不可见的。

星系外围的恒星似乎被更强大的引力拖拽着,而这个更强大的力,比根据可见的恒星数量计算出来的引力还要大。最可信的解释是星系中也包含着我们无法用传统方式观测到的“暗物质”,它们对外围恒星也施加了引力。

里斯想知道宇宙中是否存在足够多的暗物质来填补那70%的不可见的质量。他认为这可根据宇宙膨胀速度减缓的幅度来证明。如果宇宙膨胀速度显著变慢,则可认为宇宙中存在着未观测到的引力,它阻碍了宇宙扩张,而大量的暗物质便是罪魁祸首。暗物质的多少是支配宇宙继续膨胀或反向坍缩的原因。

两组科学家通过长期的望远镜观测和数据分析,竞相测量宇宙膨胀的速度。在1977年初,波尔马特找到了从未预料到的第一个证据。他通过观测超新星的亮度,发现在红移给定的条件下,这些超新星比人们预测的更遥远。如果这是事实,则能推导出一个令人震惊的结论:宇宙并不像过去认为的那样在减速膨胀,而是膨胀得越来越快。波尔马特在发布这个结论之前需要不断检验它的正确性。

里斯则创造了一套测量宇宙密度的计算机程序,并得到了相同的怪异结论。结论并非指向一个由30%的物质组成的宇宙(即他所期望的永久膨胀情形所需要的条件),而是-30%——仿佛是对他的讥讽。这个数值与任何情况都不相符,也不具有物理意义。

一开始,里斯以为他的程序出了故障。最终他意识到这个情况是可以解释的——直到现在都没有被完全认定的解释:也许暗物质并不是支配宇宙命运的唯一“成员”。也许还有其他什么正潜伏在广袤的宇宙中。

就是这封邮件

又回到了本文开头提到的那张图。

这张图正是里斯得到结论后,通过邮件发送给澳大利亚的施密特的。里斯斩钉截铁地告诉施密特这张图中蕴含的信息:宇宙在膨胀,且膨胀速度随时间推移越来越快。里斯和施密特怀揣着这个怪诞的结论,仿佛在航行中触碰到了暗礁一样。他们不得不严格地验证这个结论。

对里斯来说,那段时间真是什么事情都凑到一块儿了。在那几周里,里斯正准备婚礼,而所有的婚礼筹备工作都是他的未婚妻做的,里斯则一直宅在自己的实验室里。“圣诞假期来临,可我仍旧苦逼地埋头实验室。”里斯笑道。

直到1998年1月初,施密特和里斯才肯定了这个结论,他们把结论告知了整个研究团队。里斯终于有了结婚和度蜜月的机会。

是时候向全世界公布这个结论了。同样是1月份,波尔马特的团队在美国天文协会的一次会议上宣布了宇宙加速膨胀的数据,施密特的同事立即意识到这些数据和他们的结论是一致的。宇宙扩张的速度比之前任何人所想象的都要快,而这种驱使宇宙膨胀的未知力量是当时任何物理理论都无法解释的。

物理学家为了描述驱使宇宙膨胀的力量,创造了“暗能量”这个术语。但实际上,这个“高大上”的词汇反而突出了物理学家在这方面的无力——这种力量到底是什么?它从哪里来?它又是如何让宇宙膨胀的?

2000年,毫米波河外星系和地球物理学气球巡天计划(BOOMERanG Experiment)和毫米波各向异性实验成像阵列(MAXIMA)对大爆炸以来宇宙微波背景辐射的观测已经超越了合理的怀疑。观测表明,这些“宇宙妊娠纹”是宇宙加速膨胀的有力证据。

过去十年的天文观测强化了物质(包括可见物质和暗物质)占宇宙30%的证据。里斯追踪到了70亿年前爆发的超新星,发现早期宇宙膨胀速度减缓是因为物质间的引力盖过了暗能量向外推挤的力量。

随着宇宙的膨胀,物质逐渐在空间中铺展开来,引力拖拽效应变弱了;在50亿年前,引力和暗能量相互平衡,使宇宙在一段时间内以一个稳定的速率膨胀,既不加速也不减速。在这之后,不断扩张的宇宙中不再产生新的物质,原本存在的物质被进一步“稀释”。如此一来,宇宙中物质的密度稳中有降,导致宇宙膨胀的速度加快了。

暗能量的起源

尽管暗能量的理论得到了发展,但物理学家对于暗物质起源的探寻仍然处于“黑暗时期”。在宇宙学家的一个模型中,暗能量是从在亚原子领域占支配地位的量子物理模糊定律中诞生的。量子力学看似离奇,因为在你观测某个粒子之前,粒子没有任何确定的属性;相反,同一个粒子可同时在不同位置存在。

这种与生俱来的善变性,意味着你永远无法确定某个粒子是否在那里,即使在所谓的真空中也存在着进进出出的粒子,它们转瞬即逝。这些“虚空”粒子如搅拌中的泡沫,为宇宙空间增添了能量,尽管迄今为止按照量子物理所推算出的暗能量比我们实际观测到的更多。

量子效应能创造暗能量吗?某种类似爱因斯坦宇宙常数的恒量是否能预测所有这样的现象?“正因为如此,宇宙学家开始努力寻找某种能够解释暗能量的常数,它和宇宙常数相似,但不是宇宙常数。”施密特说。

另一个模型是精质(quintessence)模型,描述的是早期宇宙中普遍存在一片隐匿的区域,之后在离我们较近的一段时间内驱动宇宙膨胀。精质模型和量子力学模型相互冲突,因为在精质模型中,暗能量的强度会因宇宙常数恒定不变而发生变化。

精质只是宇宙常数的一个可能的替代物。还有另一种说法——我们的宇宙位于一个巨大的黑洞内部,由超致密恒星在发生超新星爆发后留下的残骸形成。宇宙学家斯蒂芬·亚历山大的计算表明,中微子的亚原子微粒如果被引力挤压到一起,即可形成一个宇宙尺度的“超流体”,产生反引力效应,这正好符合暗能量的强度。

把中微子挤压成超流体,需要超致密天体内部产生的巨大压力,也就是说,在这个模型中,我们的宇宙必须包含在像黑洞这样的天体里。“这听上去很疯狂,但我认为这是起码应该具备的条件。”亚历山大说。

不断突破的视野

面对这些理论和诸多竞争对手,里斯陷入了困惑。“在过去二十年间,绝望无时无刻不缠绕着我们。这是可以理解的,毕竟摆在我们面前的是一个艰巨的任务。”波尔马特补充道:“过去12年间,平均每天都会出现大约1篇有关暗能量的论文。”

里斯不想做领跑者,只是打算以公正的心态搜寻证据。“我就好比一位棒球裁判,不偏不倚,发现犯规者立即鸣哨。”里斯说。

大量的实验除了为暗物质起源提供了许多解释,也回答了1994年将波尔马特、施密特和里斯深深吸引的谜团:宇宙最终会有什么样的命运?

如果暗能量以目前的形态持续下去,理论的某些版本则表明它会使宇宙经历大撕裂——恒星、行星及所有原子都分崩离析。如果暗能量减弱或朝反方向发展,它将不与引力对抗,而是同引力“结盟”,让宇宙在大坍缩中终结——我们所在的宇宙将收缩成一个无限小的点——仿佛又回到最初的状态。现在看来,后一种情况发生的可能性似乎比较小。

旨在研究暗能量的欧洲空间局(ESA)“欧几里得”任务,可能在未来给出更多答案。执行该任务的太空望远镜将于2020年发射并绕行地球。从现在开始的8~10年内,“欧几里得”任务即将开始为科学家提供数据,但波尔马特认为这些数据或许并不能为我们所期望的答案提供支持。他说:“如果经验可以告诉你一切,那这些经验也会带来完全超乎你想象的东西。”

施密特指出,自17世纪牛顿提出引力理论之后,我们经历了漫长的等待,终于,爱因斯坦的广义相对论诞生了。“为了解释宇宙常数存在的原因,我们需要另一个爱因斯坦——而我们只是不知道这样的真知灼见何时才会出现。”他说,“也许明天,也许还要再等150年。”

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