Stephen+Battersby

自打發(fā)現(xiàn)有一種神秘的東西在把宇宙扯開，這15年來我們一直在絞盡腦汁。但我們?nèi)匀徊恢浪鞘裁?。它無處不在，卻又無法被看見。它在宇宙成分中占據(jù)了超過三分之二，但我們不知道它從何而來，又由什么構(gòu)成。美國加州理工學(xué)院的理論物理學(xué)家肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）說：“大自然還沒有準(zhǔn)備好向我們透露任何有關(guān)的線索?！?/p>

不過，至少我們?yōu)檫@種最神秘的東西起了個(gè)名字：暗能量?，F(xiàn)在，對(duì)它的追捕正在進(jìn)行。2013年年底，天文學(xué)家將啟動(dòng)一項(xiàng)新的巡天，在爆炸的恒星和古老的星系團(tuán)之間尋找這些東西的跡象。一系列的空間任務(wù)和地面上的巨型望遠(yuǎn)鏡很快也會(huì)加入其中。同時(shí)，一些物理學(xué)家正在探求一個(gè)非正統(tǒng)的想法：在實(shí)驗(yàn)室里誘捕暗能量。

迄今為止，我們對(duì)暗能量仍知之甚少，所知的或許只限于3點(diǎn)。

第一，暗能量是向外推的。1998年，我們首次留意到了這一點(diǎn)，因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)某一類超新星爆炸的亮度暗得出乎意料，說明它們的距離遠(yuǎn)過我們的預(yù)期?？臻g似乎從某個(gè)時(shí)刻起開始了加速膨脹，就好像有一種斥力抵御著物質(zhì)間的引力在向外推動(dòng)一樣。

第二，暗能量大量存在。星系的運(yùn)動(dòng)和成團(tuán)能告訴我們宇宙中有多少物質(zhì)，而大爆炸后38萬年時(shí)發(fā)出的宇宙微波背景輻射，則向我們透露了宇宙中物質(zhì)和能量的總密度。這第二個(gè)數(shù)字要比第一個(gè)大得多。根據(jù)最新的觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括歐洲空間局普朗克衛(wèi)星的微波觀測(cè)，宇宙中大約68%的成分是以非物質(zhì)的、表現(xiàn)為斥力的能量形式出現(xiàn)的。在每立方千米的空間中大約有1焦耳。

第三，暗能量讓物理學(xué)家富于創(chuàng)造力的思維充滿了活力。他們已經(jīng)提出了數(shù)百種不同且充滿想象力的理論。

其中最平淡的，當(dāng)屬宇宙學(xué)常數(shù)，不過即便如此，它仍屬于“狂野之物”。它是空間固有的能量密度，在愛因斯坦的廣義相對(duì)論下會(huì)產(chǎn)生斥力。隨著空間膨脹，它會(huì)越來越多，使得它的排斥力超過因物質(zhì)日益分散而逐漸變?nèi)醯囊?。粒子物理學(xué)甚至為它提供了一個(gè)起源：在充滿了不確定性的量子真空中不斷出現(xiàn)和消失的虛粒子。但問題是，這些粒子的能量太多了——根據(jù)最簡單的計(jì)算，每立方千米含有的能量約為10120焦耳。

這一災(zāi)難性的差異，為琳瑯滿目的其他替代理論留下了生存空間。比如說，暗能量有可能是“第五元素”（quintessence，又譯作“精質(zhì)”），一種假想的能量，能滲透進(jìn)空間，隨時(shí)間改變，甚至能在不同的地方聚集。它也可能是一種經(jīng)過修改的引力，在遠(yuǎn)距離上表現(xiàn)為斥力。又或者，它是地球在宇宙中所處的特殊位置造成的錯(cuò)覺。暗能量還可能是波長比可觀測(cè)宇宙大萬億倍的無線電波，甚至有可能是更奇特的東西。

“許多聰明人都試圖構(gòu)想出比宇宙學(xué)常數(shù)更好的東西，或者去理解為什么宇宙學(xué)常數(shù)具有如此的數(shù)值，”卡羅爾說，“大致說來，他們都失敗了?！?/p>

黑暗降臨

觀測(cè)暗能量是否會(huì)隨時(shí)間變化，是做出裁決的一種方式。如果它確實(shí)隨時(shí)間演化，宇宙學(xué)常數(shù)就可以排除了：作為空間的固有特性，它的密度應(yīng)該保持不變才對(duì)。與之相反，在大多數(shù)“第五元素”模型中，隨著空間的膨脹，暗能量會(huì)慢慢地稀釋——不過在一些模型中，它實(shí)際上會(huì)增強(qiáng)，加速宇宙的膨脹。在大多數(shù)修改引力的理論中，暗能量的密度也會(huì)變化。它甚至可以先上升后下降，或者反過來。

宇宙的命運(yùn)完全取決于這一平衡。如果暗能量保持穩(wěn)定，宇宙就會(huì)加速膨脹，把我們變成一個(gè)孤立小島，跟宇宙的其他部分隔絕開來。如果暗能量會(huì)增強(qiáng)，最終可能就會(huì)把所有物質(zhì)全部“撕碎”，甚至連空間結(jié)構(gòu)都變得不再穩(wěn)定。根據(jù)對(duì)超新星的觀測(cè)，我們今天最佳的估計(jì)是，暗能量的密度相當(dāng)穩(wěn)定。有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，暗能量正在緩慢增強(qiáng)，但不確定性太大，目前我們還不必?fù)?dān)心這一增長。

從2013年9月起，一個(gè)名為“暗能量巡天”的國際項(xiàng)目將開始收集數(shù)據(jù)，旨在進(jìn)一步了解暗能量。位于智利托洛洛山美洲天文臺(tái)口徑4米的維克托·布蘭科望遠(yuǎn)鏡，以及一個(gè)專門設(shè)計(jì)的紅外照相機(jī)，將在廣大的天區(qū)中尋找暗能量的若干跡象。該項(xiàng)目主管——美國芝加哥大學(xué)的喬舒亞·弗里曼（Joshua Frieman）說：“雖然不是世界上最大的望遠(yuǎn)鏡，但它的視場(chǎng)非常大?！?/p>

這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡將捕獲更多的超新星。每一場(chǎng)恒星爆炸的視亮度（就是在我們看來它有多亮），都能告訴我們它們發(fā)生在多久之前。這些光向我們傳播的過程中，波長會(huì)因空間的膨脹而被拉長，也就是紅移。把這兩樣?xùn)|西結(jié)合起來，我們就能測(cè)出宇宙如何隨時(shí)間膨脹。

這項(xiàng)巡天還將繪制一幅復(fù)雜的天圖，會(huì)標(biāo)出幾億個(gè)星系的位置以及它們到我們的距離。在宇宙的嬰兒時(shí)期曾經(jīng)在宇宙中回蕩的聲波，給巨大的超星系團(tuán)賦予了一個(gè)特征尺度。通過測(cè)量超星系團(tuán)的視大?。ň褪窃谖覀兛磥硭卸啻螅?，我們可以從一個(gè)新的視角來回顧宇宙膨脹的歷史。

放眼天空

這份天圖還將揭示暗能量對(duì)較小尺度的影響。暗能量會(huì)阻礙星系聚集形成星系團(tuán)。巡天項(xiàng)目組將直接對(duì)星系團(tuán)進(jìn)行計(jì)數(shù)，還會(huì)借助引力透鏡效應(yīng)追蹤它們的成長。引力透鏡是星系團(tuán)彎曲更遙遠(yuǎn)的天體發(fā)出的光線時(shí)出現(xiàn)的一種現(xiàn)象。

這些不同的測(cè)量，應(yīng)該能給我們提供一些線索，透露暗能量是否會(huì)隨時(shí)間而變——如果確實(shí)會(huì)變的話。弗里曼說，他們的巡天可以把現(xiàn)有結(jié)果的誤差范圍減小到1/4。到2016年，巡天的初步分析結(jié)果公布時(shí)，他們就能開始甄別一些不同的理論模型了。

一個(gè)完整的暗能量獵手團(tuán)隊(duì)，將在幾年之后組建完畢。由美國主導(dǎo)的大口徑全天巡視望遠(yuǎn)鏡（Large Synoptic Survey Telescope）將在2021年睜開它的巨眼。其他巨型望遠(yuǎn)鏡，比如位于夏威夷的30米望遠(yuǎn)鏡（Thirty Meter Telescope），以及同在智利的歐洲特大望遠(yuǎn)鏡（European Extremely Large Telescope）和巨麥哲倫望遠(yuǎn)鏡（Giant Magellan Telescope），都將在大約同一時(shí)間投入使用。在澳大利亞和南非興建的巨型射電接收器——平方千米陣也會(huì)加入它們的行列。通過觀測(cè)氫云的射電輻射，平方千米陣可以追蹤宇宙的結(jié)構(gòu)。到2020年，歐洲空間局和美國宇航局計(jì)劃發(fā)射一顆名為“歐幾里得”（Euclid）的暗能量探測(cè)衛(wèi)星，能夠觀測(cè)宇宙更早時(shí)期的引力透鏡和星系成團(tuán)。美國的大視場(chǎng)紅外巡天望遠(yuǎn)鏡或許會(huì)緊隨其后。

這場(chǎng)穿越空間的暗能量圍獵將會(huì)驚心動(dòng)魄，但獵物仍有可能會(huì)逃之夭夭。比方說，我們也許會(huì)發(fā)現(xiàn)，暗能量的密度隨著時(shí)間的推移幾乎保持恒定。這看起來似乎支持了宇宙學(xué)常數(shù)，但它并不能排除一部分“第五元素”的理論，因?yàn)槟切├碚撝械摹暗谖逶亍鼻『镁哂袔缀鹾愣ǖ拿芏?。況且，就算我們發(fā)現(xiàn)暗能量密度確實(shí)在增長或者降低，我們可能也無法分辨，這種變化到底是由于“第五元素”，還是出自某種隨時(shí)間變化的引力。

于是，一些物理學(xué)家提出，在地球上設(shè)置“陷阱”來誘捕暗能量。英國諾丁漢大學(xué)的克萊爾·伯雷奇（Clare Burrage）說：“如果你引入一種新的場(chǎng)或者粒子，來充當(dāng)你的暗能量，那么它們也將成為載體，傳遞一種新的作用力。”類似“第五元素”的東西，會(huì)產(chǎn)生有別于引力、電磁力、弱核力和強(qiáng)核力的第5種基本作用力。“但是，我們?cè)谔栂道餂]有看到第5種力，”伯雷奇說。

理論學(xué)家擺脫這一癥結(jié)的通常做法是，添加一個(gè)屏蔽機(jī)制，削弱密度相對(duì)較高的環(huán)境中（比如太陽附近）第五種力的強(qiáng)度。一個(gè)被稱為“GammeV”的項(xiàng)目已經(jīng)在美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室就位，已經(jīng)開始搜尋一種被屏蔽的特殊暗能量，也就是所謂的“變色龍”。

到目前為止，GammeV仍然一無所獲，不過現(xiàn)在，伯雷奇打算搜尋更大范圍內(nèi)的暗能量，靈敏度也要更高。她和英國諾丁漢大學(xué)的同事埃德蒙·科普蘭（Edmund Copeland）及英國倫敦帝國學(xué)院的埃德·海因茲（Ed Hinds）合作，想利用處于玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的低溫原子團(tuán)來暴露暗能量的蹤跡。這種低溫原子團(tuán)會(huì)像一個(gè)整體那樣，在量子波動(dòng)中振蕩。暗能量應(yīng)該會(huì)略微降低這種振蕩的頻率。這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃把一團(tuán)凝聚物一分為二，在其中之一附近放置一個(gè)高密度物體。如果物體屏蔽了暗能量，兩個(gè)“半團(tuán)”凝聚物中的波就會(huì)脫離同步，再把它們重新放在一起時(shí)，兩者就會(huì)發(fā)生干涉。

電效應(yīng)

在美國西雅圖的華盛頓大學(xué)，E?t-Wash扭擺實(shí)驗(yàn)正在探測(cè)其他形式的宇宙斥力。有一種理論認(rèn)為，尺度不到1毫米的空間額外維度可能為暗能量提供了容身之處。在這么小的尺度上，它或許還能夠增大引力的強(qiáng)度。一種被稱為“對(duì)稱子”（symmetron）的被屏蔽的“第五元素”，會(huì)在類似的小尺度上產(chǎn)生一個(gè)額外的作用力——如此微妙的效應(yīng)，應(yīng)該可以在E?t-Wash扭擺細(xì)微的扭動(dòng)中顯現(xiàn)出來。

與此同時(shí)，美國普林斯頓大學(xué)的邁克爾·羅馬利斯（Michael Romalis）和美國達(dá)特茅斯學(xué)院的羅伯特·考德威爾（Robert Caldwell）在2013年提出，如果普通光子或電子能夠感受到哪怕極其微弱的“第五元素”，那么地球上的磁場(chǎng)就應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微小的靜電電荷。這種有可能很容易探測(cè)，當(dāng)然任何專門為此設(shè)計(jì)的設(shè)備都必須非常精密才行。

卡羅爾指出，我們還有可能會(huì)在太空中看到另一種電磁效應(yīng)。如果光子與暗能量相互作用，當(dāng)它們?cè)谟钪嬷写┬袝r(shí)，光子的偏振就會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。他說，如果普朗克團(tuán)隊(duì)在幾年后宣布測(cè)量到宇宙微波背景輻射光子的偏振，“可以想象他們會(huì)宣布，他們已經(jīng)探測(cè)到了‘第五元素?！苯酉聛?，我們或許會(huì)坐立不安地再等上十幾年，等那些望遠(yuǎn)鏡看清楚暗能量到底偏向哪一邊，然后我們才能夠松一口氣，確定我們周圍的空間不會(huì)坍縮成一種新的不健康的狀態(tài)。

很少有人認(rèn)為，對(duì)暗能量的圍捕很快就會(huì)結(jié)束。美國俄勒岡大學(xué)的斯蒂芬·許（Stephen Hsu）說：“暗能量是最大的謎團(tuán)之一，我不指望自己能夠活著看到它被攻克。”在困惑了15年之后，對(duì)于暗能量是什么，我們?nèi)匀粵]有任何線索。但光明的一面是，對(duì)于那些線索可能隱藏在哪里，我們已經(jīng)有了一些線索。（來源：科學(xué)松鼠會(huì)，2013-12-15）