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暗能量什么样 爱因斯坦只“蒙”对了一半

2017-09-28 10:01 来源:科技日报 赵公博 王钰婷 张翰宇

  斯隆数字巡天(SDSS)利用位于美国新墨西哥州的2.5米口径望远镜进行巡天观测,有望揭开暗能量奥秘

  图片来源 blog.sdss.org

  斯隆数字巡天(SDSS)第四阶段的eBOSS项目,将绘制宇宙诞生后30—80亿年间星系和类星体的分布图,以供研究人员对暗能量进行限制

  SDSS官网

  29年前,澳大利亚和美国的研究团队通过超新星观测,分别发现了宇宙加速膨胀的现象。这带来了对于宇宙的新认识,也带给人们一个新的谜题:宇宙加速膨胀的动力来自哪里?

  科学家猜测,暗能量是宇宙膨胀的幕后“推手”。但它到底什么样?有什么性质?是爱因斯坦广义相对论中描述的真空能吗?为了解开这些难题,科学家前仆后继。国家天文台近日发布的一项研究认为,暗能量并不像爱因斯坦描述的那样保持静态,而是和宇宙中的星系、恒星类似,随时间演化。

  不可分割的时间和空间

  谈起牛顿,恐怕无人质疑他是有史以来最伟大的科学巨匠之一。如果当时已经设立菲尔兹奖和诺贝尔奖,仅凭借发明微积分和发现万有引力定律,牛顿就能轻松拿下这两项世界科学大奖。

  牛顿的万有引力定律在研究太阳系内的行星运动等方面取得了巨大成功。比如,它准确描述了行星运行规律,并成功预言了海王星的存在。然而,万有引力定律也是有局限性的。

  在牛顿看来,时空与物质的运动规律之间是完全独立的,即物质好比演员,而时空则为舞台。实验表明,基于这种绝对时空观建立的万有引力定律只适用于远低于光速运行的物体,以及处于弱引力场中的系统。对于高速运行的物体,如宇宙飞行器,或强引力场系统,如黑洞附近,牛顿力学则不再适用。

  1887年,两位科学家迈尔克逊与莫雷合作,设计并完成了一个精妙的实验。他们出乎意料地发现光速是不变的。这明显与牛顿力学中的速度叠加原理相矛盾。

  天才的爱因斯坦大胆提出,时间与空间不能割裂开来。物质的分布与运动会引起时空的弯曲,而时空弯曲的程度又会反过来影响物质的行为。正如所料,这些“高大上”的相对论思想在当时超越了许多科学家的理解能力,因而并不被主流科学界接受。

  然而真理就是真理,随着对水星进动的完美解释等一项项有重大“显示度”的工作面世,爱因斯坦的相对时空观正式取代牛顿的绝对时空观,奠定了现代宇宙学研究的理论基础。

  宇宙加速膨胀的幕后“推手”

  当爱因斯坦写下著名的广义相对论方程,天才的大脑马上意识到,在他的理论中,宇宙的时空有两种归宿,其中一种是收缩、坍塌。爱因斯坦当然无法接受宇宙这种自我毁灭的命运,于是,他试图修改他的方程,以使得宇宙时空保持静态。为此,他在方程里加入了一项“宇宙学常数”。简言之,宇宙学常数,即真空能,可以提供一种有效斥力,用于抵消引力作用,防止宇宙坍塌。

  然而,命运与爱因斯坦开了一个不大不小的玩笑。1929年,美国科学家哈勃通过观测发现,宇宙并非静止,而是在膨胀!这正是最初的广义相对论方程描述的另一种宇宙归宿。爱因斯坦当时郁闷的心情可以想象。他对于自己引入宇宙学常数这种画蛇添足的行为万分懊恼,认为这是他“一生中最大的失误”。

  令爱因斯坦更加没有想到的是,宇宙不仅膨胀,而且是加速膨胀!1998年,世界上两个超新星研究小组独立发现了宇宙的加速膨胀现象,并因此分享了2011年的诺贝尔奖。而爱因斯坦的宇宙学常数可以提供等效斥力,刚好可以使得宇宙加速膨胀。这个发现足以让爱因斯坦欣慰了,但这时已经距离这位伟人去世43年了!

  宇宙加速膨胀背后的物理机制是当代科学最大的未解之谜之一。观测研究发现,宇宙中的物质(包括暗物质和普通物质)大概只占宇宙总能量组成的三分之一,而另外三分之二完全未知,因此被称为“暗能量”。作为推动宇宙加速膨胀的神秘力量,暗能量本质之谜至今尚未被揭开。

  暗能量是静态的吗

  暗能量的本质虽目前未知,但通过天文观测,我们得知了暗能量一些奇特的性质。比如,暗能量具有压强,并且是负压强。这一点非常匪夷所思。普通流体的压强都为正值。这意味着当流体被压缩或拉伸时,压强会产生相反的作用力。而负压流体在被拉伸时,压强反而推动流体进一步被拉伸。

  有趣的是,真空即具有负压的性质。这是由于真空无法被稀释,当其体积被拉伸时,真空内能反而增大,会继续推动其体积被拉伸。因此,在宏观上,真空能,即爱因斯坦的宇宙学常数,可以作为暗能量的候选者之一。

  但在微观上,真空能作为暗能量却存在精细调节等一系列严重的理论问题。科学家们一直努力建立新的暗能量理论模型,并接受天文观测的检验。

  在观测方面,科学家可以综合使用多种手段探测暗能量,比如观测超新星、宇宙微波背景辐射、星系在宇宙中分布的成团性等。破解暗能量的密码在于观测暗能量状态方程w这个物理量,即暗能量压强与其能量密度的比值。对于真空能来说,其w恒等于-1,而其他暗能量模型则预言w随时间演化。

  近期,笔者与20余位国际合作者一起,对大量星系利用类似“人口普查”的方法,测定了宇宙在不同时期的膨胀速率。进而结合其他类型的最新天文观测数据,重建了暗能量状态方程从大约100亿光年前到目前的演化历史。该研究发现,w并非常数,而是随时间演化,并围绕-1振荡。这与我国科学家张新民团队2004年提出的“精灵”暗能量模型的预言相一致。这个结果意味着暗能量的本质有可能不是真空能,而是具有动力学性质的某种未知的能量场。

  未来5—10年内,国际大型星系巡天项目eBOSS、DESI等都将完成观测。这些“超级天眼”将通过对2000万颗以上星系进行观测,并绘制宇宙的三维图像。这些数据将帮助科学家准确测量宇宙时空的膨胀,以及宇宙大尺度结构的形成历史,将在更高的精度验证暗能量动力学性质,揭开暗能量本质的神秘面纱。

  (作者依次为中科院国家天文台研究员、助理研究员和学生)

(责任编辑:王蔚)

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