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宇宙的扩张比想象中的快,这背后是暗能量作祟吗?

Dennis Overbye2019-03-04 06:55:53

宇宙的命运正处在紧要关头。

本文只能在《好奇心日报》发布,即使我们允许了也不许转载*

你或许可以说,“原力”受到了干扰。

很久很久以前,当宇宙只有大概 10 万岁,还是一团正在不断膨胀的杂乱粒子和辐射时,一个奇怪的全新能量场出现了。这股能量以一种宇宙反引力的形式弥漫在宇宙之中,不那么温和地推动着宇宙的膨胀。

然后,又过了 10 万年左右,这个新能量场就这么消失了,除了加速膨胀的宇宙外没有留下一丝其他痕迹。

约翰·霍普金斯大学(Johns Hopkins University)几位天文学家公布了这个听起来有些奇怪的故事。这支团队对遥远的过去进行了大胆的推测,假设有这样一个能量场存在,进而解释了一个天文之谜:宇宙目前膨胀的速度似乎超过了应有的水平

宇宙实际膨胀的速度只比理论速度快 9% 左右,但这一听起来微不足道的差异引起了天文学家的兴趣。他们认为,这可能揭示了一些有关宇宙的新信息。

因此过去几年,他们一直在开各种研讨会和学术会议,希望找到此前测量和计算中出现的错误或漏洞,但却始终徒劳无功。

一直在思考这个问题的哈佛大学理论学家丽莎·兰道尔(Lisa Randall)表示:“如果我们想认真对待宇宙学,那就必须认真思考这类问题。”

伊利诺伊州巴达维亚费米国家加速器实验室(Fermi National Accelerator Laboratory)的理论学家乔希·弗里曼(Josh Frieman)近来在芝加哥的一场会议上问道:“我们什么时候才能宣称发现了新的物理学?”

如今,新的想法层出不穷。有研究人员表示,假定以前存在未知的亚原子粒子可以解决这个问题;其他研究人员则寄希望于新型的能量场,比如约翰·霍普金斯大学的研究团队。

更令人困惑的是,目前宇宙中已经存在一种使宇宙更快膨胀的力场了,它被称为“暗能量”。一份有争议的新报告指出,这种暗能量可能会变得更强大、更密集,未来甚至会撕裂原子,终止时间。

至今为止,还没有证据可以证明这些观点。如果其中有任何一种说法被证明是正确的,科学家们可能就不得不重新书写宇宙的起源、历史,乃至命运了。

又或者,这些观点可能全都是错误的。天文学家有严格的方法估计干扰和其他随机误差对研究结果的影响,但却无法用类似的方法评估被称为“系统误差”、未经检验的偏见所带来的影响。

正如芝加哥大学的温迪·L·弗里德曼(Wendy L. Freedman)在芝加哥那场会议上所言:“未知的系统误差才是最终影响你的因素。”

哈勃问题

一代代伟大的天文学家都曾在尝试测量宇宙时遇到了困难。问题在于一个叫做“哈勃常数”的数字,这个常数的名字取自 1929 年发现宇宙正在膨胀的威尔逊山(Mount Wilson)天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)。

随着宇宙的膨胀,不同星系会像膨起的蛋糕中的葡萄干一样逐渐远离彼此。两个星系相隔的距离越远,它们离开彼此的速度就越快。哈勃常数只能表明两个星系离开彼此的速度和相隔距离之间的倍数关系。

但是,天文学家只能依靠所谓的标准烛光(standard candles)来校准哈勃常数。标准烛光指的是宇宙中能够根据光度或其他特征来估计距离的天体,比如超新星爆发和某些多变的星体。而这也正是争议的源头。

几十年前,天文学家还不能就哈勃常数达成一致的意见,两个成两倍关系的数值令他们争论不休:哈勃常数的一个可能值为每秒每百万秒差距 50 公里,另一个可能值则为每秒每百万秒差距 100 公里。(一百万秒差距为 326 万光年。)

但是 2001 年,弗里德曼博士带领的一支团队用哈勃太空望远镜观测发现,哈勃常数的值为每秒每百万秒差距 72 公里,也就是说,一个星系离我们每远 1 百万秒差距,它远离我们的速度就快 72 公里/秒。

约翰·霍普金斯大学和太空望远镜科学研究所(Space Telescope Science Institute)的亚当·G·里斯(Adam G. Riess)和其他科学家近来也得到了类似的研究结果。天文学家现在表示,他们已经将哈勃常数的不确定范围缩小到了 2.4% 上下。

但是,新出炉的精确范围也带来了新的麻烦。正是因为太过精确,他们的这些结果都和欧洲普朗克卫星(Planck)预测的哈勃常数值 67 对不上。

9% 的误差听起来很严重,但事实可能并非如此。天文学家主张,这是因为普朗克卫星和人类的观测方式有很大的不同。

普朗克卫星被认为是宇宙学的黄金标准。它用 4 年时间研究了宇宙诞生 38 万年时大爆炸末期遗留的宇宙背景微波辐射,但它并未直接测量出哈勃常数。事实上,普朗克团队根据一项很大程度上基于这些微波辐射的数学模型,导出了哈勃常数和其他宇宙参数的数值。

简而言之,普朗克卫星得到的哈勃常数是以宇宙婴儿时期的图景为依据的;而经典的天文数值则来自于宇宙学家谦称为“局域测量”(local measurements)的产物,即以深入中年宇宙数十亿光年的地方所得图景为依据。

那么,如果宇宙婴儿时期的图景遗漏或者模糊了宇宙一些重要的特征呢?

“宇宙此起彼伏”

因此,宇宙学家们开始尝试修正早期宇宙的模型,在不破坏现有模型已经做得很好的地方的同时,让宇宙膨胀得更快一些——最近这场芝加哥会议上,加州大学戴维斯分校(Davis)的天体物理学家劳埃德·诺克斯(Lloyd Knox)称之为“宇宙打地鼠”游戏。

一些天文物理学家提出,有种办法是在早期宇宙中加入更多类型的轻量级亚原子粒子,如幽灵般的中微子。(物理学家已经发现了三种中微子,目前正在争论是否有证据显示存在第四种中微子。)这样一来,宇宙就能有更多空间储存能量了,就好比你的梳妆台上有更多抽屉可以让你装下更多袜子。根据宇宙大爆炸的数学理论,拥有更多能量的宇宙会更快膨胀,而且很有可能不会大幅改变宇宙婴儿时期微波辐射的图景。

约翰·霍普金斯大学这支团队则提出了一种更加激进的方法,即假定奇异的反引力能量场存在。这个想法运用了弦理论中的一部分内容。这套假定但未经证实的“万物理论”设想,构成现实最基本的单元是非常微小的、扭动的弦。

弦理论认为,宇宙中可能存在奇异的能量场,这些能量场与尚未被发现的轻量级粒子或力有关。这些能量场统称为“精质”(quintessence),可以起到反引力的作用,而且会随时间而发生诸如突然出现、衰减、改变效果由排斥变为吸引等变化。

约翰·霍普金斯大学的研究团队尤其关注与假想粒子“轴子”有关的能量场的效果。他们去年年底发表论文称,如果宇宙大约 10 万岁时有这样一个能量场出现,那么它产生的能量刚好可以修正哈勃常数的误差。他们把这股理论中的力称为“早期暗能量”。

“我很惊讶它是怎么来的,”约翰·霍普金斯大学一位参与了这项研究的宇宙学家马克·卡米奥库斯基(Marc Kamionkowski)说,“这真的能行。”

学界目前尚未对此做出评判。里斯博士表示,这个想法似乎能行得通,但这并不意味着他赞成这个想法或这个想法就是正确的。自然最终将会告诉我们,这个想法到底对不对,而这还有待于未来的观察。

诺克斯博士称,约翰·霍普金斯大学的论文是一张“存在证明”,证明了哈勃问题是可以得到解决的。他说:“我认为这很新颖。”

然而,兰道尔博士对约翰·霍普金斯大学研究团队的计算存在异议。她表示,三位哈佛大学的博士后研究员也在研究一个同样行得通的类似想法,而且那个想法符合数学原理。兰道尔博士说:“这很新奇,也很酷。”

目前专业人士依然在关注宇宙的混乱。芝加哥大学经验丰富的宇宙学家、最近一次哈勃问题探讨的组织者迈克尔·特纳(Michael Turner)表示:“事实上,所有这一切一直萦绕在我们脑海中。我们很困惑,我们希望这种困惑能带来一些好的结果!”

世界末日?不,别担心

一些宇宙学家之所以对早期暗能量的想法感兴趣,是因为它暗示了宇宙历史上两个神秘阶段之间的联系。里斯博士也曾说过:“这不是宇宙第一次过快膨胀了。”

第一个阶段发生在宇宙诞生不到万亿分之一秒的时候。宇宙学家推测,当时猛烈的“暴胀”(inflation)——这个说法来自麻省理工学院的天文学家艾兰·古斯 (Alan Guth)——导致了大爆炸。在万分之一秒的时间里,它将最初的混沌变成了如今我们眼前更有秩序的宇宙。没人知道是什么导致了那次暴胀。

第二个阶段就是现下:宇宙正在加速膨胀。但是,为什么呢?人们早在 1998 年就发现了这个问题。当时,两个互相竞争的天文团队提出了一个问题:星系的集体引力是否会让宇宙膨胀减速,致使未来某天所有一切都碰到一起,形成一场大坍缩。

令人惊讶的是,他们反而得出了相反的结果:在后来被称为暗能量的反引力影响下,宇宙膨胀正在加速。这两个团队因此赢得了诺贝尔奖

暗能量占到了宇宙总能量的 70%。而且令人毛骨悚然的是,这股能量的表现非常像一种人们称之为“宇宙常数”(cosmological constant)的扭曲因素。宇宙常数是一种宇宙斥力,一个世纪以前爱因斯坦把它放进了自己的方程式里,认为它可以防止宇宙在自身重量影响下坍缩。后来他抛弃了这个想法,不过现在看来他似乎放弃得太早了。

在暗能量的影响下,如今宇宙每 100 亿年大小就可以翻一倍——这会导致怎样的结果?没有人知道。

图片版权:ESA - S. Corvaja

约翰·霍普金斯大学的研究团队提出,早期暗能量可能代表了反引力控制宇宙并使其加速的第三个阶段。或许这三个阶段只是同一种潜在趋势所表现出的不同状态:宇宙可能就是会偶尔随心所欲地加速膨胀。里斯博士在一封邮件中表示:“可能宇宙就是会时不时这样?”

如果当真如此,那就表明当前出现的暗能量根本不适用爱因斯坦的宇宙常数,而且未来还有可能会消失。这样一来,天文学家和所有人都能从关乎宇宙未来的生存噩梦中解脱出来了。如果暗能量保持恒定不变,我们的星系以外的一切最终都会以超过光速的速度远离我们,我们将再也看不见它们。宇宙将会变得毫无生机,陷入一片漆黑。

但如果暗能量只是暂时存在,终有一天会消失,那么宇宙学家和玄学家都可以重新思考一个更加理性的未来。

研究过类似情形的卡内基·梅隆大学(Carnegie Mellon)理论学家斯科特·都德尔逊(Scott Dodelson)表示:“这个想法吸引人的地方在于,人类可能会有一个未来。”

幻影宇宙

但是,未来还有待我们去把握。

《自然天文学》(Nature Astronomy近期发表的一份报告称,目前宇宙中的暗能量非但没有消失,反而正随着宇宙时间的推移而增加。如果这一状况持续不变,宇宙终有一天会以天文学家口中的“大撕裂”告终。大撕裂中,原子和基本粒子都会发生碎裂,这或许就是最终极的宇宙灾难

这个可怕的结论出自意大利佛罗伦萨大学的圭多·里萨利蒂(Guido Risaliti)和英国杜伦大学(Durham University)的伊丽莎白·卢索(Elisabeta Lusso)的研究。过去 4 年间,他们以遥远、能量巨大的类星体为距离标志,探索了宇宙的深层历史。

类星体诞生于星系中央的超大质量黑洞,是自然界最明亮的天体,整个宇宙都可以清楚地看到它们。不过,类星体并不是理想的标准烛光,因为它们的质量差异很大。尽管如此,研究人员还是在类星体的辐射中发现了一些规律,得以追溯到了宇宙近 120 亿年前的历史。研究团队发现,这一时期宇宙膨胀的速度是偏离预期的。

对于这一研究结果,科学家的一种解释是,暗能量毕竟不是恒定的,它会随宇宙时间的推移不断改变、密度不断增加,进而不断增强。碰巧,暗能量的这种增加也可以解释哈勃场数的测量差异。

坏消息是,如果这个模型是正确的,那么暗能量可能是一种特别致命(大多数物理学家是这么说的)、特别难以置信的能量形式。这种能量形式被称为“幻影能量”(phantom energy),它的存在意味着物体可以通过加速失去能量。达特茅斯学院(Dartmouth)物理学家罗伯特·考德威尔(Robert Caldwell)称之为“坏消息的玩意儿”。

随着宇宙膨胀,幻影能量的推力会无限制增加,最终克服引力,首先撕裂地球,然后是原子。

对于这份新报告,哈勃常数研究界表现得十分谨慎。弗里德曼博士表示:“如果这种情况成立,那会是一个非常有趣的结果。”

天文学家尝试测量这种暗能量已有 20 年之久:欧洲太空总署(European Space Agency)的欧几里得望远镜(Euclid)和美国航空航天局(NASA)的 Wfirst 望远镜都旨在研究暗能量,并有望在未来十年给出明确的答案。宇宙的命运正处在紧要关头。

与此同时,据里斯博士所说,包括幻影能量在内的所有一切都在天文学家的考虑范围之内。

“在一系列可能通过新物理学解决这一问题的方案中,提到这种怪异的暗能量似乎是合适的,”他在一封电子邮件中写道,“见鬼,至少他们提出的暗能量是沿着合适的方向来解决问题的。情况也有可能恰恰相反,把一切变得更糟!”


翻译:熊猫译社 钱功毅

题图版权:Brian Stauffer

© 2019 THE NEW YORK TIMES

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