李慶康

21世紀(jì)的今天，許多科學(xué)重大問(wèn)題已基本解決，但人類對(duì)宇宙的認(rèn)知仍是未知遠(yuǎn)多于已知。譬如暗物質(zhì)和暗能量，它倆就像籠罩于21世紀(jì)物理學(xué)晴空的“兩朵烏云”。

暗物質(zhì)與暗能量是什么？它們是如何形成與演化的？時(shí)至今日，這些仍是科學(xué)難題。雖然國(guó)內(nèi)外有大量的研究想破解它們，但基本上都未有定論，這也預(yù)示著物理學(xué)需要一次重大的革命！

物理學(xué)天空的“兩朵烏云”

天體物理學(xué)是利用物理學(xué)的技術(shù)、方法和理論，研究天體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、物理狀態(tài)和演化規(guī)律的學(xué)科。因此，天體物理學(xué)本質(zhì)上是物理學(xué)的一個(gè)分支，但從其研究對(duì)象來(lái)看更是天文學(xué)的一部分。因此，它是將天文學(xué)和物理學(xué)完美結(jié)合的交叉學(xué)科。

現(xiàn)代物理學(xué)的每次重大進(jìn)步都對(duì)天體物理學(xué)起了巨大推動(dòng)作用;同時(shí)，天體所具有的極端條件和特殊環(huán)境又為物理學(xué)提供了極好的天然實(shí)驗(yàn)室。千百年來(lái)天文學(xué)的發(fā)展，充分印證了中國(guó)的古老諺語(yǔ)：“天外有天。”

1900年開(kāi)爾文爵士把“黑體輻射實(shí)驗(yàn)”和“邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)”的結(jié)果，喻為19世紀(jì)末經(jīng)典物理學(xué)美麗晴空中的“兩朵烏云”。正是這“兩朵烏云”為物理學(xué)帶來(lái)了革命性巨變。20世紀(jì)上半葉相對(duì)論和量子論的建立把物理學(xué)推向前所未有的高度。伴隨著物理學(xué)的巨大進(jìn)展和天文觀測(cè)技術(shù)的極大改善，人類對(duì)宇宙的認(rèn)知已是今非昔比。

1932年

奧爾特（Oort Jan Hendrik，荷蘭天體物理學(xué)家）指出，要解釋銀河系中恒星的軌道速度，需假定太陽(yáng)附近存在著暗物質(zhì)。

1933年

茲威基（Fritz Zwicky，瑞士天文學(xué)家）觀測(cè)室女星系團(tuán)中的運(yùn)動(dòng)，認(rèn)為星系團(tuán)中存在大量暗物質(zhì)。

1939年

巴布科克（Horace W. Babcock，美國(guó)天文學(xué)家）得到的星系旋轉(zhuǎn)曲線是暗物質(zhì)存在的強(qiáng)有力的證據(jù)，但很遺憾他未將它歸因于暗物質(zhì)。

20世紀(jì)60-70年代

魯賓（Vera Rubin，美國(guó)天文學(xué)家）和福特（Kent Ford，美國(guó)天文學(xué)家），首先利用星系旋轉(zhuǎn)曲線這一強(qiáng)有力的證據(jù)深入研究了暗物質(zhì)。

后來(lái)，很多觀測(cè)結(jié)果表明：宇宙中不僅存在暗物質(zhì)，而且是普通物質(zhì)的若干倍。無(wú)論暗物質(zhì)在宇宙中什么地方集結(jié)，普通物質(zhì)都會(huì)如影隨形。普通物質(zhì)在暗物質(zhì)壓倒性的引力作用下，會(huì)無(wú)可抗拒地被吸引過(guò)去。這些普通物質(zhì)形成了恒星、星系等。

物理之眼看“暗物質(zhì)”

暗物質(zhì)是什么？暗物質(zhì)是如何形成的？暗物質(zhì)是如何演化的？目前，這些問(wèn)題把所有科學(xué)家都難住了。

如要徹底回答第一個(gè)問(wèn)題，必須直接找到暗物質(zhì)才能知道它是什么。根據(jù)已有的觀測(cè)證據(jù)，科學(xué)家指出暗物質(zhì)是一種在宇宙年齡尺度上穩(wěn)定，不帶電荷，參與引力相互作用，但幾乎不參與電磁和強(qiáng)相互作用，目前尚未被認(rèn)識(shí)的一種新物質(zhì)。

既然暗物質(zhì)幾乎不參與電磁和強(qiáng)相互作用，所以直接找到它是極為困難的。但科學(xué)家猜想，暗物質(zhì)可能會(huì)與普通物質(zhì)有某些微弱的相互作用、暗物質(zhì)之間可能會(huì)碰撞和湮滅、普通物質(zhì)之間的高能碰撞可能會(huì)撞出暗物質(zhì)等，所以科學(xué)家正通過(guò)高能宇宙射線、地下深井實(shí)驗(yàn)、高能粒子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)等方式尋找暗物質(zhì)。

確實(shí)，目前國(guó)內(nèi)外有大量的實(shí)驗(yàn)在尋找暗物質(zhì)，但現(xiàn)在基本還沒(méi)有明確結(jié)果。所以，暗物質(zhì)是目前籠罩在物理學(xué)晴朗天空中的一朵烏云。暗物質(zhì)問(wèn)題預(yù)示著物理學(xué)需要一次重大革命。

暗能量發(fā)現(xiàn)之旅

暗能量若與暗物質(zhì)相比，更是不可思議，科學(xué)家對(duì)它的本質(zhì)知之甚少。時(shí)間回溯到1929年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃利用當(dāng)時(shí)世界上最大的望遠(yuǎn)鏡——加州威爾遜山天文臺(tái)的2.54米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，首先發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)星系以非常高的速度遠(yuǎn)離地球，而退行速度與它們到地球的距離大致呈正比關(guān)系（即哈勃定律）。

根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，俄羅斯物理學(xué)家伽莫夫等人提出了大爆炸理論，認(rèn)為宇宙是從一個(gè)極小體積、極高密度的點(diǎn)猛烈地向外膨脹，像發(fā)生了一次超級(jí)大爆炸而創(chuàng)生的。此后大爆炸理論又得到不同類型的天文觀測(cè)（比如宇宙微波背景輻射、宇宙元素豐度）的強(qiáng)有力支持。多年來(lái)，科學(xué)家們一直認(rèn)為宇宙的膨脹是恒速的，或者因物質(zhì)間萬(wàn)有引力的作用，宇宙膨脹是越來(lái)越慢的。

1998年，澳大利亞天文學(xué)家施密特（Brain Schmidt）領(lǐng)導(dǎo)的高紅移超新星研究組（里斯在其中起到了至關(guān)重要的作用），以及1999年美國(guó)天文學(xué)家波爾馬特（Saul Perlmutter）領(lǐng)導(dǎo)的超新星宇宙學(xué)研究組，不約而同地利用了Ia型超新星作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”進(jìn)行觀測(cè)。

他們都發(fā)現(xiàn)那些遠(yuǎn)的Ia型超新星的亮度比預(yù)期更暗。這就要求宇宙在加速膨脹，只有這樣，那些Ia型超新星才會(huì)到達(dá)更遠(yuǎn)的位置，它們才會(huì)更暗。根據(jù)愛(ài)因斯坦的引力場(chǎng)方程，從加速膨脹的現(xiàn)象能推論出宇宙中存在著壓強(qiáng)為負(fù)的“暗能量”。近年來(lái)，對(duì)宇宙微波背景輻射的深入研究，精確地測(cè)量出宇宙中物質(zhì)的總密度。得到的結(jié)果是所有的普通物質(zhì)與暗物質(zhì)加起來(lái)大約只占物質(zhì)總密度的1/3左右，還少了約2/3的物質(zhì)。這一短缺的物質(zhì)被稱為暗能量。

因此這兩方面的證據(jù)充分說(shuō)明宇宙中有大量的暗能量，它在推動(dòng)宇宙加速膨脹。因?yàn)橥ㄟ^(guò)觀測(cè)遙遠(yuǎn)超新星發(fā)現(xiàn)宇宙的加速膨脹，2011年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了波爾馬特、施密特和里斯。

2015年3月在雜志《科學(xué)》（Science）上的一篇文章中，來(lái)自普林斯頓大學(xué)（Princeton University）的天文學(xué)家大衛(wèi)·斯伯格（David Spergel）回顧了宇宙學(xué)家們是如何一步步確定我們是生活在看不見(jiàn)的物質(zhì)和能量中的。研究者通過(guò)觀測(cè)星系、超新星以及宇宙溫度等得出一個(gè)結(jié)論，認(rèn)為宇宙是一個(gè)不斷膨脹的均勻平面。但令人費(fèi)解的是宇宙膨脹來(lái)自于一種暗能量，膨脹速度隨著時(shí)間推移不斷升高，抵消了重力的吸引力。斯伯格說(shuō)，這個(gè)發(fā)現(xiàn)意味著如果你向上拋出一個(gè)球，你會(huì)發(fā)現(xiàn)球會(huì)不斷加速朝上飛去，最后消失在視線中。暗能量的基本特征是具有負(fù)壓（類似于一種反引力），它在宇宙中無(wú)處不在，密度幾乎保持恒定且?guī)缀蹙鶆蚍植?。在恒星系統(tǒng)尺度、甚至星系尺度內(nèi)，引力或電磁力比暗能量導(dǎo)致的斥力作用要強(qiáng)得多，所以在這樣的尺度內(nèi)很難探測(cè)到空間膨脹。但是，當(dāng)尺度達(dá)到星系團(tuán)或更大時(shí)，暗能量的斥力就會(huì)超過(guò)引力效應(yīng)。所以暗能量的作用要在非常大的尺度上才會(huì)凸顯出來(lái)。

超新星是恒星演化過(guò)程中的巨大災(zāi)變現(xiàn)象。從觀測(cè)上來(lái)說(shuō)，可分為I型和II型;從爆發(fā)機(jī)制來(lái)說(shuō)，可以分為雙星中的白矮星的粉碎性轟爆和大質(zhì)量恒星演化結(jié)尾的爆炸。超新星爆發(fā)時(shí)釋放出的能量可以照亮其所在的整個(gè)星系。

物理之眼看“暗能量”

暗能量是什么？它從何而來(lái)？由什么構(gòu)成？它是否演化？從1998年至今，科學(xué)家絞盡腦汁試圖回答這些問(wèn)題，其中一種模型認(rèn)為暗能量就是宇宙學(xué)常數(shù)，它是真空的能量，在愛(ài)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(lái)越多，使得排斥力超過(guò)因物質(zhì)日益分散而逐漸變?nèi)醯囊?。但令人沮喪的是，根?jù)量子場(chǎng)論計(jì)算出的真空能的密度與觀測(cè)到的暗能量密度完全不符。

另一種模型認(rèn)為暗能量可能是標(biāo)量場(chǎng)（即能量密度隨時(shí)空變化的一個(gè)動(dòng)力學(xué)場(chǎng)，如第五元素），是一種假想的能量，能滲透進(jìn)空間，隨時(shí)間改變，甚至能在不同的地方聚集。也有模型認(rèn)為暗能量也可能是一種經(jīng)過(guò)修改的引力，在遠(yuǎn)距離上表現(xiàn)為斥力。當(dāng)然，關(guān)于暗能量，還有很多其他模型。但現(xiàn)在所有模型都缺乏足夠的說(shuō)服力。另一方面，一系列的空間和地面的先進(jìn)設(shè)備正在或很快將開(kāi)展探測(cè)，繼續(xù)尋找暗能量的蹤跡;一些科學(xué)家還希望在實(shí)驗(yàn)室里利用短距離引力實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)暗能量的線索。

斯伯格認(rèn)為，要解決暗物質(zhì)、暗能量問(wèn)題僅靠觀測(cè)是不夠的，想要全面理解暗物質(zhì)和宇宙加速還需要新的物理學(xué)理念，甚至是包含額外維度的全新引力理論。他說(shuō)，“我們需要一個(gè)像廣義相對(duì)論那樣深刻的新理念來(lái)解開(kāi)這些謎團(tuán)。”

天文觀測(cè)為物理學(xué)提出了這兩個(gè)革命性的難題。要解決它們，必然需要天文學(xué)和物理學(xué)的緊密結(jié)合;必然需要出現(xiàn)另一個(gè)愛(ài)因斯坦，甚至是超越愛(ài)因斯坦那樣的天才。

正如愛(ài)因斯坦所言“宇宙最不可理解之處在于它是可以理解的”，相信人類最終會(huì)解決暗物質(zhì)和暗能量問(wèn)題的！

暗能量確實(shí)玄乎其玄，比暗物質(zhì)更玄、更神秘。但是，暗能量實(shí)在是太重要了，它決定了宇宙的未來(lái)和結(jié)局，即宇宙的命運(yùn)掌握在暗能量手中。

根據(jù)暗能量的特性，有人猜想宇宙的極端結(jié)局可能是“大擠壓（big crunch）” 、“大撕裂（big rip）”，或一片黑暗。1979年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主溫伯格（Steven Weinberg）曾說(shuō)，如果不解決暗能量這個(gè)“路障”，我們就無(wú)法全面理解基礎(chǔ)物理學(xué)。

1957年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主李政道也斷言，暗能量將是21世紀(jì)物理學(xué)面臨的最大挑戰(zhàn)。