暗能量什麼樣 愛因斯坦隻“蒙”對了一半

斯隆數字巡天（SDSS）利用位於美國新墨西哥州的2.5米口徑望遠鏡進行巡天觀測，有望揭開暗能量奧秘

圖片來源 blog.sdss.org

斯隆數字巡天（SDSS）第四階段的eBOSS項目，將繪制宇宙誕生后30—80億年間星系和類星體的分布圖，以供研究人員對暗能量進行限制

SDSS官網

29年前，澳大利亞和美國的研究團隊通過超新星觀測，分別發現了宇宙加速膨脹的現象。這帶來了對於宇宙的新認識，也帶給人們一個新的謎題：宇宙加速膨脹的動力來自哪裡？

科學家猜測，暗能量是宇宙膨脹的幕后“推手”。但它到底什麼樣？有什麼性質？是愛因斯坦廣義相對論中描述的真空能嗎？為了解開這些難題，科學家前仆后繼。國家天文台近日發布的一項研究認為，暗能量並不像愛因斯坦描述的那樣保持靜態，而是和宇宙中的星系、恆星類似，隨時間演化。

不可分割的時間和空間

談起牛頓，恐怕無人質疑他是有史以來最偉大的科學巨匠之一。如果當時已經設立菲爾茲獎和諾貝爾獎，僅憑借發明微積分和發現萬有引力定律，牛頓就能輕鬆拿下這兩項世界科學大獎。

牛頓的萬有引力定律在研究太陽系內的行星運動等方面取得了巨大成功。比如，它准確描述了行星運行規律，並成功預言了海王星的存在。然而，萬有引力定律也是有局限性的。

在牛頓看來，時空與物質的運動規律之間是完全獨立的，即物質好比演員，而時空則為舞台。實驗表明，基於這種絕對時空觀建立的萬有引力定律隻適用於遠低於光速運行的物體，以及處於弱引力場中的系統。對於高速運行的物體，如宇宙飛行器，或強引力場系統，如黑洞附近，牛頓力學則不再適用。

1887年，兩位科學家邁爾克遜與莫雷合作，設計並完成了一個精妙的實驗。他們出乎意料地發現光速是不變的。這明顯與牛頓力學中的速度疊加原理相矛盾。

天才的愛因斯坦大膽提出，時間與空間不能割裂開來。物質的分布與運動會引起時空的彎曲，而時空彎曲的程度又會反過來影響物質的行為。正如所料，這些“高大上”的相對論思想在當時超越了許多科學家的理解能力，因而並不被主流科學界接受。

然而真理就是真理，隨著對水星進動的完美解釋等一項項有重大“顯示度”的工作面世，愛因斯坦的相對時空觀正式取代牛頓的絕對時空觀，奠定了現代宇宙學研究的理論基礎。

宇宙加速膨脹的幕后“推手”

當愛因斯坦寫下著名的廣義相對論方程，天才的大腦馬上意識到，在他的理論中，宇宙的時空有兩種歸宿，其中一種是收縮、坍塌。愛因斯坦當然無法接受宇宙這種自我毀滅的命運，於是，他試圖修改他的方程，以使得宇宙時空保持靜態。為此，他在方程裡加入了一項“宇宙學常數”。簡言之，宇宙學常數，即真空能，可以提供一種有效斥力，用於抵消引力作用，防止宇宙坍塌。

然而，命運與愛因斯坦開了一個不大不小的玩笑。1929年，美國科學家哈勃通過觀測發現，宇宙並非靜止，而是在膨脹！這正是最初的廣義相對論方程描述的另一種宇宙歸宿。愛因斯坦當時郁悶的心情可以想象。他對於自己引入宇宙學常數這種畫蛇添足的行為萬分懊惱，認為這是他“一生中最大的失誤”。

令愛因斯坦更加沒有想到的是，宇宙不僅膨脹，而且是加速膨脹！1998年，世界上兩個超新星研究小組獨立發現了宇宙的加速膨脹現象，並因此分享了2011年的諾貝爾獎。而愛因斯坦的宇宙學常數可以提供等效斥力，剛好可以使得宇宙加速膨脹。這個發現足以讓愛因斯坦欣慰了，但這時已經距離這位偉人去世43年了！

宇宙加速膨脹背后的物理機制是當代科學最大的未解之謎之一。觀測研究發現，宇宙中的物質（包括暗物質和普通物質）大概隻佔宇宙總能量組成的三分之一，而另外三分之二完全未知，因此被稱為“暗能量”。作為推動宇宙加速膨脹的神秘力量，暗能量本質之謎至今尚未被揭開。

暗能量是靜態的嗎

暗能量的本質雖目前未知，但通過天文觀測，我們得知了暗能量一些奇特的性質。比如，暗能量具有壓強，並且是負壓強。這一點非常匪夷所思。普通流體的壓強都為正值。這意味著當流體被壓縮或拉伸時，壓強會產生相反的作用力。而負壓流體在被拉伸時，壓強反而推動流體進一步被拉伸。

有趣的是，真空即具有負壓的性質。這是由於真空無法被稀釋，當其體積被拉伸時，真空內能反而增大，會繼續推動其體積被拉伸。因此，在宏觀上，真空能，即愛因斯坦的宇宙學常數，可以作為暗能量的候選者之一。

但在微觀上，真空能作為暗能量卻存在精細調節等一系列嚴重的理論問題。科學家們一直努力建立新的暗能量理論模型，並接受天文觀測的檢驗。

在觀測方面，科學家可以綜合使用多種手段探測暗能量，比如觀測超新星、宇宙微波背景輻射、星系在宇宙中分布的成團性等。破解暗能量的密碼在於觀測暗能量狀態方程w這個物理量，即暗能量壓強與其能量密度的比值。對於真空能來說，其w恆等於-1，而其他暗能量模型則預言w隨時間演化。

近期，筆者與20余位國際合作者一起，對大量星系利用類似“人口普查”的方法，測定了宇宙在不同時期的膨脹速率。進而結合其他類型的最新天文觀測數據，重建了暗能量狀態方程從大約100億光年前到目前的演化歷史。該研究發現，w並非常數，而是隨時間演化，並圍繞-1振蕩。這與我國科學家張新民團隊2004年提出的“精靈”暗能量模型的預言相一致。這個結果意味著暗能量的本質有可能不是真空能，而是具有動力學性質的某種未知的能量場。

未來5—10年內，國際大型星系巡天項目eBOSS、DESI等都將完成觀測。這些“超級天眼”將通過對2000萬顆以上星系進行觀測，並繪制宇宙的三維圖像。這些數據將幫助科學家准確測量宇宙時空的膨脹，以及宇宙大尺度結構的形成歷史，將在更高的精度驗証暗能量動力學性質，揭開暗能量本質的神秘面紗。（趙公博 王鈺婷 張翰宇）

（作者依次為中科院國家天文台研究員、助理研究員和學生）