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暗能量：宇宙中的幽靈？

點(diǎn)擊：  作者：鞏巖    來源：中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所微信號(hào)  發(fā)布時(shí)間:2024-01-31 11:18:58

 

暗能量是目前宇宙學(xué)和物理學(xué)的一大謎題。根據(jù)宇宙學(xué)觀測(cè)，目前宇宙中的物質(zhì)或能量組成中普通物質(zhì)（或重子物質(zhì)）只占了約5%，而剩余的95%由暗物質(zhì)和暗能量占據(jù)。其中，暗物質(zhì)約占27%，而暗能量則占據(jù)剩余的68%。也就是說，當(dāng)前宇宙中超過2/3的物質(zhì)或能量是由暗能量構(gòu)成的。

 

 

圖1：宇宙的物質(zhì)組成。其中暗能量占了總組成的約68%。（圖片來源：www.fas37.org）

 

而這占據(jù)宇宙大部分組成的暗能量，卻具有與其他物質(zhì)截然不同甚至可以說匪夷所思的性質(zhì)。與暗物質(zhì)的粒子屬性不同，暗能量通常認(rèn)為是以一種能量狀態(tài)的形式存在的。其最顯著的特征是具有“負(fù)壓”的排斥力效應(yīng)，可以看作“萬有斥力”或“反引力”。正是由于具有這種奇特的性質(zhì)，暗能量從被提出便爭(zhēng)議不斷，如宇宙幽靈一般在物理和天文學(xué)中游蕩。從理論上說，暗能量理論的提出可以一直追溯到艾爾伯特·愛因斯坦。宇宙學(xué)常數(shù)Λ，目前暗能量最主要的候選者之一，就是愛因斯坦于1917年為了平衡引力場(chǎng)方程來得到一個(gè)當(dāng)時(shí)人們普遍接受的“穩(wěn)態(tài)”宇宙而提出的。但隨后的研究發(fā)現(xiàn)，此常數(shù)的加入并無法使宇宙保持“穩(wěn)定”，而是在微小的擾動(dòng)下便會(huì)加速膨脹或收縮。特別是1929年埃德溫·哈勃首次觀測(cè)到了宇宙膨脹現(xiàn)象，更是確認(rèn)了宇宙的“非穩(wěn)態(tài)”屬性。愛因斯坦得知此觀測(cè)結(jié)果后后悔非常，將宇宙學(xué)常數(shù)稱為自己“最大的錯(cuò)誤”（biggest blunder）。

 

 

圖2:宇宙膨脹歷史示意圖。觀測(cè)表明，宇宙晚期開始逐漸加速膨脹。（圖片來源：www.cantorsparadise.com/）

 

然而富有戲劇性的是，愛因斯坦的這一“最大的錯(cuò)誤”卻是目前對(duì)絕大多數(shù)宇宙學(xué)觀測(cè)結(jié)果最簡(jiǎn)單也是最為相符的解釋！雖然暗能量占據(jù)宇宙大多數(shù)能量組份，但由于充斥整個(gè)宇宙，其密度極低（約為10^-30g/cm³），比常溫常壓的空氣密度低了一千億億億倍！在如此低密度的情況下，在實(shí)驗(yàn)室中探測(cè)和研究暗能量的性質(zhì)顯然是不現(xiàn)實(shí)的。因此，目前對(duì)暗能量的探測(cè)主要集中在大天區(qū)大樣本的宇宙學(xué)觀測(cè)中，即希望通過大規(guī)模統(tǒng)計(jì)在極大尺度和極多樣本中嘗試探測(cè)暗能量的性質(zhì)。早在20世紀(jì)80年代和90年代初，人們通過星系團(tuán)、球狀星團(tuán)等觀測(cè)，并結(jié)合暴漲理論，已經(jīng)開始意識(shí)到宇宙中的一般物質(zhì)組成可能只占宇宙總質(zhì)量的一小部分，并間接推斷出宇宙中應(yīng)該存在著一種占據(jù)很大組份的具有“斥力”的能量，即暗能量。在1998和1999年，美國(guó)的兩支觀測(cè)團(tuán)隊(duì)，即索爾·珀?duì)栺R特團(tuán)隊(duì)和亞當(dāng)·里斯團(tuán)隊(duì)，分別利用觀測(cè)的Ia型超新星（SN Ia）數(shù)據(jù)，較為精確的測(cè)量了宇宙不同紅移處的距離，發(fā)現(xiàn)宇宙目前正處于加速膨脹階段！

 

 

圖3: Ia型超新星示意圖。白矮星通過吸收伴星物質(zhì)超過錢德拉塞卡極限而猛烈爆發(fā)，形成SN Ia。SN Ia爆發(fā)時(shí)光度比較一致，可以作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”來測(cè)定距離。（圖片來源:ESA）

 

這被認(rèn)為是暗能量存在的一大直接證據(jù)。這是由于除了暗能量外，根據(jù)廣義相對(duì)論的計(jì)算，宇宙中的其它物質(zhì)或能量在宇宙學(xué)尺度上都將被引力所主導(dǎo)，即會(huì)由于引力作用而相互吸引。在此情況下，宇宙只能減速膨脹（或加速收縮），絕不可能出現(xiàn)加速膨脹的情況——除非有某種“斥力”存在！在進(jìn)一步的宇宙學(xué)觀測(cè)中，通過目前多種宇宙學(xué)觀測(cè)手段和探針，如宇宙微波背景輻射（CMB）、重子聲波振蕩（BAO）、弱引力透鏡等，發(fā)現(xiàn)暗能量的能量密度隨時(shí)間并沒有顯著的變化。也就是說隨著宇宙的膨脹，暗能量并不會(huì)像一般物質(zhì)那樣會(huì)因?yàn)轶w積的增加而被“稀釋”，而是保持“濃度”不變。這種“無中生有”的奇特現(xiàn)象并不代表違背了能量守恒定律。根據(jù)廣義相對(duì)論，物質(zhì)的壓強(qiáng)也是一種“能量”（即能動(dòng)張量的一部分）。只要暗能量的壓強(qiáng)p為負(fù)，且絕對(duì)值與能量密度?正好相等（即狀態(tài)方程w=p/?c²等于-1，c為光速），就可以允許此現(xiàn)象的存在。而這正是宇宙學(xué)常數(shù)的性質(zhì)。宇宙學(xué)常數(shù)一個(gè)最直觀的物理對(duì)應(yīng)就是“真空能”或“零點(diǎn)能”。這是非常容易理解的，因?yàn)檎婵漳芑蛄泓c(diǎn)能與宇宙學(xué)常數(shù)一樣，在空間中是均勻分布且能量密度不隨時(shí)間變化的。真空能的效應(yīng)可以在卡西米爾效應(yīng)（Casimir effect）等實(shí)驗(yàn)中被觀測(cè)到，已被物理學(xué)家們廣泛接受。從邏輯上來說，隨著宇宙的膨脹，真空在不斷增加，而真空能的能量密度不變，因而宇宙中的真空能也在相應(yīng)的不斷增加。這與觀測(cè)的暗能量性質(zhì)是一致的。

 

 

圖4: 真空“量子海”示意圖。（圖片來源：NASA/CXC/M.WEISS）

 

然而，宇宙學(xué)常數(shù)當(dāng)前存在著理論上的巨大挑戰(zhàn)。根據(jù)目前觀測(cè)，宇宙學(xué)常數(shù)的能量密度不會(huì)超過10^-9焦耳每立方米。而根據(jù)量子力學(xué)的估計(jì)，真空能的理論值應(yīng)該高于10¹¹³焦耳每立方米，即觀測(cè)值比理論值小了至少121個(gè)數(shù)量級(jí)！如此巨大的差異讓人們不禁懷疑是目前的量子力學(xué)理論錯(cuò)的太過離譜，還是暗能量其實(shí)并不是宇宙學(xué)常數(shù)或真空能。因此，另一種主要的暗能量理論也被提出，即標(biāo)量場(chǎng)暗能量。標(biāo)量場(chǎng)暗能量理論的基本想法是引入一個(gè)與物質(zhì)場(chǎng)最小耦合的可以隨時(shí)間演化的標(biāo)量場(chǎng)，以及描述這個(gè)標(biāo)量場(chǎng)的勢(shì)，并以此來解釋宇宙的加速膨脹。與此類似的思想在關(guān)于宇宙早期的暴漲理論中就提出過，但驅(qū)動(dòng)暴漲的標(biāo)量場(chǎng)與后期驅(qū)動(dòng)宇宙加速膨脹標(biāo)量場(chǎng)之間的關(guān)系，目前從理論上來說還并不明確。與宇宙學(xué)常數(shù)或真空能不同，標(biāo)量場(chǎng)暗能量是可以隨時(shí)間演化的，在空間上的分布也可以不均勻，并且根據(jù)其動(dòng)能項(xiàng)和勢(shì)能項(xiàng)的相對(duì)大小，可以表現(xiàn)為不同強(qiáng)度的“吸引力”或“排斥力”。因此相對(duì)于宇宙學(xué)常數(shù)，在理論上多了一些“自由度”，可以避免宇宙學(xué)常數(shù)中的“精細(xì)調(diào)節(jié)問題”和“巧合性問題”等問題。在標(biāo)量場(chǎng)暗能量模型中，精質(zhì)暗能量（Quintessence）、幽靈暗能量（Phantom）以及精靈暗能量（Quintom）等均是被廣泛討論的標(biāo)量場(chǎng)暗能量模型。這些模型基本是按照狀態(tài)方程w>-1，w<-1以及w跨越-1來分類的。

 

 

圖5: 不同暗能量對(duì)宇宙結(jié)局的影響。如果暗能量為宇宙學(xué)常數(shù)，則宇宙會(huì)持續(xù)加速膨脹；如果是幽靈暗能量（Phantom），則宇宙會(huì)在“瘋狂”加速膨脹中導(dǎo)致“大撕裂”（big rip）；如果暗能量能量密度在未來某刻開始顯著下降，則可能會(huì)導(dǎo)致宇宙走向“大坍縮”（big crunch）。（圖片來源：NASA/GSFC）

 

其中，最為不可思議或“瘋狂”的可能要屬幽靈暗能量。在此模型中，狀態(tài)方程w始終小于-1。意味著暗能量的能量密度既不會(huì)像宇宙學(xué)常數(shù)那樣保持不變，也不會(huì)像精質(zhì)暗能量那樣漸漸減少，而是將隨著宇宙的膨脹而不斷急劇增加，從而又進(jìn)一步的推動(dòng)宇宙膨脹！這種“正反饋”機(jī)制最終會(huì)導(dǎo)致在有限的時(shí)間內(nèi)宇宙的膨脹速度趨近于無窮大（由于是空間膨脹，因此并不與相對(duì)論沖突），即導(dǎo)致宇宙的“大撕裂”（big rip）。屆時(shí)宇宙中的星系、恒星甚至分子、原子以及亞原子粒子最終都將被撕裂開來而不復(fù)存在，最后宇宙將會(huì)由于這一“幽靈”處于一種難以理解的“瘋狂”膨脹狀態(tài)！當(dāng)然，除了標(biāo)量場(chǎng)暗能量還有許多暗能量模型被提出。例如通過動(dòng)能項(xiàng)驅(qū)動(dòng)宇宙加速膨脹的k質(zhì)（K-essence）、質(zhì)量為虛數(shù)速度始終超過光速的快子（tachyon）、既可以作為暗物質(zhì)又可作為暗能量的恰普雷金氣體（Chaplygin gas）、以及受到量子引力理論啟發(fā)而提出的全息暗能量（holographic dark energy）等等。通過以上討論，我們可以了解暗能量在解釋宇宙加速膨脹、大尺度結(jié)構(gòu)演化等方面無疑是成功的，但其作為一種新的能量形式也受到了理論上的挑戰(zhàn)。目前仍然沒有一種令人信服的物理理論可以完全的解釋暗能量的起源和本質(zhì)。從另一方面來說，引起宇宙加速膨脹的并不一定是一種額外的物質(zhì)或能量，也有可能是由于在星系或宇宙這樣大尺度下，引力與我們目前基于太陽系或之下尺度測(cè)量的性質(zhì)是不近相同的。正是由于這種不同，使之有可能在大尺度上產(chǎn)生與廣義相對(duì)論有所差異的結(jié)果，甚至是引起宇宙的加速膨脹。基于這種可能性，對(duì)目前廣義相對(duì)論的修改，即修改引力理論，原則上來說也是一種對(duì)宇宙加速膨脹的可能解釋。

 

 

圖6: 主要的修改引力各理論分類示意圖。（圖片來源：Shankaranarayanan & Johnson, 2022, General Relativity and Gravitation, 54, 44）

 

目前的修改引力理論主要是針對(duì)修改廣義相對(duì)論來進(jìn)行的，如通過引入額外的場(chǎng)與度規(guī)張量相耦合，此場(chǎng)可以是標(biāo)量場(chǎng)、矢量場(chǎng)和張量場(chǎng)；或者假設(shè)一些基本的定律和認(rèn)識(shí)可以被打破，如引入額外維度、破壞洛倫茲不變性、引入“非局域性”等；還可以假設(shè)引力子具有靜質(zhì)量，而非自旋為2的無靜質(zhì)量粒子等等。當(dāng)然，不同修改引力理論所產(chǎn)生的現(xiàn)象和效應(yīng)都不盡相同，與暗能量理論的預(yù)言也是存在不同程度的差異的。因此，更需要未來的地面及空間望遠(yuǎn)鏡來精確測(cè)量不同現(xiàn)象和效應(yīng)，來準(zhǔn)確區(qū)分不同的理論模型，并高精度的檢驗(yàn)廣義相對(duì)論。未來的下一代宇宙學(xué)巡天觀測(cè)目前正在緊鑼密鼓的開展進(jìn)行中，包括空間的歐幾里得望遠(yuǎn)鏡（Euclid）、羅曼望遠(yuǎn)鏡（RST）、我國(guó)的巡天空間望遠(yuǎn)鏡（CSST）、以及地面的魯賓天文臺(tái)（LSST）等等。暗能量是否存在？其本質(zhì)是什么？相信依靠未來強(qiáng)大的觀測(cè)能力和多種探測(cè)手段，一定能夠揭開暗能量這一宇宙幽靈的神秘面紗。

 

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Riess, A. G. et al., 2004, ApJ, 607, 665

 

作者簡(jiǎn)介

鞏巖，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員，宇宙學(xué)巡天研究團(tuán)組負(fù)責(zé)人，中國(guó)巡天空間望遠(yuǎn)鏡（CSST）國(guó)家天文臺(tái)科學(xué)中心常務(wù)副主任。主要從事暗能量和暗物質(zhì)模型理論和觀測(cè)限制、宇宙大尺度結(jié)構(gòu)、宇宙紅外背景、宇宙再電離時(shí)期等研究工作。目前已在 Nature、Science、PRL等雜志作為第一作者或主要貢獻(xiàn)者發(fā)表60余篇學(xué)術(shù)論文。

 

文章來源于中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)