加载中…
个人资料
环球科学杂志社
环球科学杂志社 新浪机构认证
  • 博客等级:
  • 博客积分:0
  • 博客访问:3,577,774
  • 关注人气:6,256
  • 获赠金笔:0支
  • 赠出金笔:0支
  • 荣誉徽章:
正文 字体大小:

暗能量真的存在吗

(2009-05-10 00:51:33)
标签:

科技

暗能量

宇宙学原理

哥白尼

杂谈

分类: 文章选登

撰文 蒂莫西·克利夫顿(Timothy Clifton)

佩得罗·G·费雷拉(Pedro G. Ferreira)

翻译 虞骏

加速膨胀是假象?

● 宇宙看起来似乎正在加速膨胀,表明宇宙中存在一种奇怪的未知能量形式——暗能量。问题在于,没有人知道暗能量到底是什么。

●宇宙学家或许根本不需要求助于什么暗能量。如果我们居住在一个物质密度低于宇宙平均水平的空间区域,宇宙膨胀的速率就会随位置的不同而发生变化,这就有可能被误认为是膨胀速率在随时间流逝而加速。

●在大多数宇宙学家看来,超级宇宙巨洞似乎很不靠谱,不过暗能量同样很不靠谱。未来几年的观测数据将判定这两种说法谁对谁错。

http://www.sciam.cn/showimg.php?iid=7912

大尺度上物质密度的不同导致空间非均匀膨胀,可能产生天文学家通常归因于暗能量的观测效应。

   

科学界最伟大的革命,往往由现实和预期之间最细微的差异所引发。16 世纪,哥白尼提出地球并非宇宙中心,他的立论基础在当时许多人看来,不过是天体运动中一些深奥难懂的细枝末节。今天,一场新的科学革命,已经随着11 年前宇宙加速膨胀的发现而拉开序幕。超新星亮度上的细微差异,曾让天文学家得出结论:构成宇宙的所有物质成分当中,有70% 是完全未知的。也就是说,空间中充斥着一种不同于其他任何物质的成分——它们始终推动着宇宙膨胀,而不像其他物质那样阻碍膨胀。这种成分被称为暗能量(dark energy)。

   

10 多年过去了,一些宇宙学家依然对暗能量的存在感到不可思议,甚至开始重新思考那些最初令他们推导出暗能量的基本假设。其中一个假设正是早期科学革命的产物——哥白尼原理(Copernican principle)。这个原理认为,地球所处的位置既不是宇宙中心,也没有任何特殊之处。如果我们抛弃这一基本原理,一套能够解释这些观测现象而又不需要借助暗能量的宇宙图景,就会令人惊讶地显现出来。

   

大多数人都非常熟悉这样一个观念:我们这颗行星不过是一粒宇宙微尘,在一个毫不起眼的星系边缘附近,围绕着一颗普普通通的恒星旋转。在我们这个宇宙当中,类似的星系至少有数十亿,分布之广甚至超过我们的宇宙视界(cosmic horizon,即我们能够观测到的最远边界)——这使我们相信,自己在宇宙中的位置没有任何独一无二之处。不过,有什么证据能够支持如此谦卑的宇宙观?我们又如何才能确定自己是否处在一个特殊位置上呢?天文学家通常会跳过这些问题,假定我们的微不足道是显而易见的,不需要进一步探讨。我们或许真的处在宇宙中一个特殊的位置——考虑这样一种可能性在许多人看来似乎是不可思议的。然而,这正是世界各地一些物理学家小组最近正在认真思考的观点。

   

具有讽刺意味的是,假设自己在宇宙中无足轻重,恰恰给宇宙学家提供了强大的解释能力。根据哥白尼原理归纳而成的宇宙学原理(cosmological principle)声称:任何时刻,从空间中的任意一点朝任意方向看去,宇宙的模样都是一样的。这个假设让我们可以把自己在宇宙一隅看到的东西外推到整个宇宙。宇宙学家已经付出了巨大的努力,以宇宙学原理为基础,构建起了代表科学最高水准的宇宙学模型。结合现代科学对空间、时间和物质的理解,宇宙学原理暗示:空间正在膨胀,宇宙正在变冷,其中充斥着来自炽热宇宙开端的遗迹——所有这些预言都被天文观测一一证实。

   

 比如说,天文学家发现,遥远星系发的光似乎比邻近星系发的光更红一些。这种被称为红移(redshift)的现象就能够用空间膨胀来巧妙解释,因为光波也会随空间的膨胀而被相应地拉长。微波探测器还发现了宇宙极早期发出的辐射——宇宙微波背景(cosmic microwave background)。这种大爆炸原始火球的遗迹,像一层帷幕包裹在空间各个方向,平滑得几乎完美无瑕。公平地讲,能成功解释这些现象,我们自视谦卑的态度实在功不可没——假设自己在宇宙中的位置越不重要,我们就越能够“全面”地探讨宇宙。

 

黑暗降临

   

遥远的超新星总是暗于科学家的预期,如果坚持宇宙学原理,这就意味着宇宙中存在暗能量。

   

既然如此,为什么我们不能安于现状?如果宇宙学原理真的如此成功,为什么还要去质疑它?问题就在于,最近的天文观测有了一些非常奇怪的结果。过去十年来,天文学家发现,对于红移程度确定的遥远超新星来说,观测到的亮度总是暗于预期。超新星的红移标明了自它爆炸以来空间膨胀的幅度。测出遥远超新星发光的红移程度,宇宙学家就能推断,这颗超新星爆炸时宇宙的尺寸比今天小多少。超新星红移程度越高,它爆炸时宇宙的尺寸就越小,因此从那时起到现在,宇宙膨胀的幅度也就越大。

   

超新星的观测亮度给我们提供了一种方法,能够测量它到我们的距离,从而揭示这颗超新星爆炸距今有多久。如果一颗超新星的红移程度已经确定,而它的亮度看起来又低于预期,这颗超新星的距离就一定比天文学家认为的更远。它发的光需要更长的时间才能传到我们这里,这意味着宇宙从当时的大小膨胀到现在的大小,一定花了更久的时间(参见右页)。因此,宇宙过去的膨胀速度一定比科学家以前预期的更缓慢。事实上,遥远的超新星看上去非常暗,以至于宇宙必须加速膨胀才能赶上它目前的膨胀速度。

   

这种加速膨胀触发了一场宇宙学革命:宇宙中的物质本该吸引时空结构,使膨胀速度逐渐放缓,但超新星数据暗示,情况恰恰相反。如果宇宙学家接受宇宙学原理,并且假设加速膨胀出现在宇宙各处,我们就能得出这样一个结论:宇宙中必定充斥着一种能够产生排斥力的奇异能量——暗能量。

   

在物理学家用来描述基本粒子和作用力的标准模型中,没有任何东西与暗能量相符。这是一种尚未被直接观测到的物质,它的性质不同于我们以往看到的任何东西,能量密度也比我们能够作出的最简单设想低了120个数量级(根据量子场论推算出的真空能,能量密度是暗能量的10120 倍)。对于暗能量可能是什么,物理学家有了一些想法,但至今仍然纯属推测。简而言之,对于暗能量,我们几乎可以说是一无所知。不论暗能量可能是什么,研究人员正在着手进行一系列雄心勃勃、耗资巨大的地面和空间探测任务,用来寻找暗能量并测定它的性质。对许多人来说,这是现代宇宙学面临的最艰巨挑战。

 


 

http://www.sciam.com.cn/showimg.php?iid=7914哥白尼的遗产

   

 哥白尼原理认为,地球并不处在宇宙中某个特殊的位置上。宇宙拥有一个统一的密度(均匀性),往任何方向看过去都一样(各向同性)。

   

这个原理尽管很有影响力,但只适用于远远大于星系的尺度。毕竟,如果完全均匀,宇宙就会变成一锅稀薄的原子“稀粥”,不可能会有灿烂的星系了。另外,这个原理只适用于空间,而不适用于时间。我们确实生活在一段特殊时期——距离大爆炸足够久,使复杂的生命得以形成;又距离大爆炸足够近,因而宇宙中的恒星仍在闪耀,还没有全部熄灭。

   

哥白尼通常被视作一个象征,标志着人类从所有重要的位置上被拉下马来。不过,加拿大不列颠哥伦比亚大学的历史学家丹尼斯·丹尼尔森(Dennis Danielson)认为,尽管哥白尼之前的欧洲人将地球置于宇宙中心,但他们并不认为这个中心是一个重要的位置,恰恰相反——用伽利略的话来说,这里只是“宇宙中污秽和蜉蝣聚集的污水池”。 

 

光明之路

   

 如果我们生活在一个足够巨大的宇宙巨洞内部,解释超新星观测数据就可以完全不需要暗能量。

   

面对如此不可思议、看起来不太可能存在的暗能量,一些研究人员开始重新思考“暗能量存在”的推导过程,质疑起当时的一个根本假设——我们在宇宙中所处的位置到底是不是很普通,我们观测到的现象能不能推广到宇宙各处?如果抛开宇宙学原理,暗能量存在的证据能不能通过其他方式来解释?

   

在传统宇宙学描述中,“宇宙膨胀”指的是宇宙作为一个整体发生的膨胀。就如同谈论一个正在充气的气球:我们说气球充到了多大,指的是整个气球的大小,而不会具体到气球上每一小块膨胀了多少。不过,我们都在聚会场合见到过一些奇形怪状的气球,它们的膨胀并不均匀。比如长条状气球充气时,侧边上的一圈会迅速膨胀,然后鼓起来的部分才会向长条的另一端延伸过去。在抛弃宇宙学原理的另一种宇宙学观点中,空间也能够不均匀膨胀。一幅复杂得多的宇宙图景就此浮出水面。

   

我们不妨看一看下面这种模型,这是南非开普敦大学(University of Cape Town)的乔治·埃利斯(George Ellis)、查尔斯·赫拉比(Charles Hellaby)和纳齐姆·穆斯塔法(Nazeem Mustapha)最先提出,后来被法国巴黎-默东天文台(Paris-Meudon Observatory)的玛丽-诺埃勒·塞莱里耶(Marie-Noelle Célérier)进一步发展的:首先,假设宇宙各处膨胀都在减速,因为物质总是在吸引时空,阻止它向外膨胀;然后,假设我们居住在一个超级庞大的宇宙巨洞(cosmic void)之中——巨洞内部并非空无一物,只不过平均物质密度仅为其他地方的一半甚至三分之一。一块空间区域越是空旷,内部包含的、能减缓空间膨胀的物质就越少;因此,巨洞内部的膨胀速度要比其他地方更快——正中央膨胀最为迅速,越靠近边缘膨胀越慢,因为巨洞外密度较高的区域在边缘附近已经开始发挥作用了。任何时刻,空间不同部分的膨胀速度都不相同,就像那些奇形怪状的气球充气时膨胀不均匀一样。

http://www.sciam.com.cn/showimg.php?iid=7928

   

设想一些超新星在这个不均匀宇宙中的不同位置爆发,有些靠近巨洞中心,有些靠近巨洞边缘,还有一些位于巨洞之外。如果我们靠近巨洞中心,一颗超新星距离我们越远,它周围空间的膨胀速度就越慢。它发出的光在向我们传播的过程中,所经区域的膨胀速度会越来越快。光经过每一块区域,空间膨胀都会把光波拉长一点,这种效应累积起来产生了我们观测到的红移。光在这样一个宇宙中传播一定距离后产生的红移,要比在以相同速度(即我们周边的膨胀速度)整体膨胀的宇宙中产生的红移略低一些。反过来,光在这样一个宇宙中要达到一定的红移,它的传播距离就必须比膨胀速度一致的宇宙里光的传播距离更长——也就是说,这颗超新星必须离我们更远,因而看起来更暗。

   

换句话说,这个模型把膨胀速度的变化从时间上“转移”到了空间上。通过这种方式,宇宙学家不需要引入暗能量,就能解释“超新星亮度暗于预期”这一观测事实。为了让这套“另类”解释行得通,我们必须生活在一个真正达到宇宙尺度的巨洞之中。超新星观测的范围已经延伸到几十亿光年之外,占据了整个可观测宇宙中很大的一部分。要想解释这些观测数据,巨洞的大小就必须达到类似的尺度。无论以谁的标准来看,这都足够称得上“巨大”了。

 

http://www.sciam.cn/showimg.php?iid=7913

本文作者

蒂莫西·克利夫顿(左)和佩得罗·G·费雷拉(右)都是英国牛津大学的宇宙学家。他们的研究领域相同,都是早期宇宙物理学和爱因斯坦广义相对论的潜在修正模型。

克利夫顿还热衷于品酒,他说生活中真正让他感兴趣的是勃艮第葡萄酒。费雷拉是畅销天文学图书《宇宙状态》(The State of the Universe)的作者,他位于牛津的住所里正在举办一个艺术创作系列活动,他还参与了许多支持非洲科学教育的项目。

更多内容请浏览《环球科学》2009年第5期“暗能量真的存在吗”

 

 

相关阅读:

宇宙学的末日

暗流体:暗物质和暗能量也许是同一枚硬币的两面

宇宙黑手暗能量 

科学在这里崩溃

 

 

0

阅读 收藏 喜欢 打印举报/Report
  

新浪BLOG意见反馈留言板 欢迎批评指正

新浪简介 | About Sina | 广告服务 | 联系我们 | 招聘信息 | 网站律师 | SINA English | 产品答疑

新浪公司 版权所有