暗能量撕裂宇宙?

2016年05月02日 16:12     评论»

来源: 科学人 作者: 

重点提要
■大约20年前,发现正在加速膨胀,并把加速膨胀的原因称为「暗能量」。
■之後的密集研究并未解开暗能量之谜,反而凸显这些问题:为何暗能量的强度与理论预测天差地远?这对宇宙的未来有何影响?我们透过暗能量的研究,是否会得到多重宇宙的结论?
家透过一些正在与即将进行的实验,希望能在未来几年解答这些问题。

宇宙每一秒都在变大:彼此飞离,与星系团也越分越开,宇宙里的一切事物皆渐行渐远。自1920年代起,哈伯(Edwin Hubble)与其他人的观测便已告诉我们,宇宙正在膨胀、扩张。但不久前,天文学家发现这个过程甚至还在加速进行,宇宙的膨胀幅度持续升高,使星系的退行速率随着时间递增。

本文作者之一黎斯与澳洲国立大学的施密特(Brian Schmidt)共同领导的研究团队测量遥远超新星爆发事件,在1998年得到这项惊人发现;美国加州大学柏克莱分校的珀尔穆特(Saul Perlmutter)领导的另一组团队,以类似的方法也在同一年获得相同的结果。这项铁证如山的结论显示,某种未知原因引起宇宙加速膨胀。但究竟是什麽?

科学家把此未知原因称为「暗能量」,它似乎会产生把宇宙加速撕裂的斥力。我们研究此现象将近20年,至今暗能量的本质仍是个谜,我们对它的认识就和当初一样粗浅。事实上,最近的观测结果似乎与理论解释有些抵触,使真相更加扑朔迷离。

我们面对的是几个深刻难解的问题:暗能量是什麽?为何它的强度似乎总比最简单的理论预测微弱许多(却仍足以让我们侦测到)?暗能量的本质究竟对宇宙的未来有何影响?最後,若依照多重宇宙(multiverse)的构想,我们的宇宙只是无限多个不同型式的宇宙之一,每个宇宙具有不同性质与暗能量强度;因此暗能量的诡异特性,其实暗示了我们的宇宙是随机发生的?

全力探究暗能量本质的行动正如火如荼进行,其中有几项观测计画的前景看好,预期很快就能取得进展。我们希望在10年内开始回答这些问题,并确切了解宇宙加速膨胀的本质,至少不再听天由命,徒留永无止境的神秘感。

什麽是暗能量?

科学家有几项假说,或许可用来解释宇宙加速膨胀的原因。目前最佳的假说源自空无一物的空间本质。在量子物理中,真空并非「空无一物」,真空里可以不断出现一对对「虚」粒子与其反粒子,瞬间自发出现又湮灭。虽然这件事听起来很奇特,不过大量短暂存在的粒子对含有能量,而能量就像质量一样,能够产生重力。唯一不同的是,能量可以产生具有吸引或排斥性质的重力,这完全取决於压力的正或负。根据理论,空无一物的空间能量具有负压,因此可能是驱动宇宙加速膨胀的排斥性重力来源。

这概念等同於爱因斯坦在广义相对论的场方程式中加入的「宇宙常数」,代表充斥於空间中的固定能量密度。一如其名,这假说中的暗能量密度是个常数,并不会随着时空变动。直到目前为止,除了些许差异,天文物理的观测证据与宇宙常数假说的解释最吻合。

另外,暗能量可能是个遍及全宇宙的能量场,称为「第五元素」(quintessence),在空间中各点抵消重力的特性。物理学家非常熟悉场的概念,能够透过场来描述日常生活中电磁力与重力如何运作(虽然这些力通常来自小范围的局部源头,而非充斥整个空间)。

假如暗能量是一个场,强度将无法保持固定,会随着时间改变。在此状况下,暗能量可能一度比现今强一些、或微弱一点,因此在不同时刻对宇宙造成不同的影响。同理,它在未来的强度变化,也会冲击宇宙的未来。在此假说中,有种模型称为「冰冻场」,其暗能量的变化随着时间渐趋缓慢;在另一种「融化场」的模型里,场的变动则由缓趋急。

解释宇宙加速膨胀的第三项假说,是暗能量根本不存在,爱因斯坦的重力理论未能解释宇宙加速膨胀的物理机制,也就是广义相对论并不完备。在星系团或整个可观测宇宙这样极大的尺度中,重力运作的定律可能不符合理论预测,反而有奇怪的重力现象。按照这样的逻辑,物理学家提出了一些理论猜想,但目前没有条理一致的理论可解释所有的观测结果,因此暗能量似乎比这假说稍占上风。

关键词: 暗能量宇宙

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