陳壯叔

20世紀(jì)20年代，美國天文學(xué)家哈勃在觀測遠(yuǎn)方星系時發(fā)現(xiàn)它們都在退行，即離我們而去。這說明宇宙在膨脹。這是一個重大的發(fā)現(xiàn)，是宇宙大爆炸學(xué)說的一個重要觀測證據(jù)。

人們一直以為，因為引力作用，宇宙膨脹的速度應(yīng)逐漸放緩，可是20世紀(jì)90年代末對超新星的觀測表明，膨脹在加速?？茖W(xué)界認(rèn)為，這是因為宇宙中存在一種過去未被發(fā)現(xiàn)的暗能量，它不可見，彌散分布，具有排斥的特性。2003年，威爾金森微波各向異性探測器公布了它對宇宙微波背景輻射的精確探測，證實宇宙中含4%的可見物質(zhì)、23%的暗物質(zhì)和73%的暗能量。

此時人們想到了愛因斯坦所說的自己所犯的“最大的錯誤”——宇宙常數(shù)。在愛因斯坦提出廣義相對論時，科學(xué)界的哲學(xué)思想普遍認(rèn)為，宇宙應(yīng)該處在恒穩(wěn)定之中。愛因斯坦之所以引入宇宙常數(shù)，是想以此來抵消宇宙的膨脹，保持宇宙的恒定不變。因此，當(dāng)哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙確實在膨脹時，愛因斯坦承認(rèn)自己失誤了。然而，這個常數(shù)現(xiàn)在倒是派上了用場，正好把它當(dāng)成暗能量。但事情真的如此簡單嗎？

人們通常把彌散于空間中的暗能量視為肇事者，是因為它的存在把眾星系明顯地推開，而且它從未被觀測到，也未在實驗室內(nèi)產(chǎn)生過，因為它從不與光發(fā)生相互作用。

關(guān)于這一現(xiàn)象，目前的觀點很多，這里僅選擇其中的一種。這個觀點認(rèn)為，宇宙中充滿著所謂的“精華場”，而“精華場”對應(yīng)的粒子則被稱為變色龍粒子。約50億年前，其場壓轉(zhuǎn)為負(fù)值，引起宇宙加速膨脹。研究者之所以選擇這一理論，是因為它可以跟物質(zhì)相互作用，也就可以在實驗室里找到它。

宇宙學(xué)家由此提出，還有第五種自然力的存在（通常認(rèn)為是四種，即電磁力、強核力、弱核力以及引力），其力程隨周圍環(huán)境的不同而改變，故稱之為“變色龍”。量子理論告訴我們，粒子的力程取決于該粒子的質(zhì)量。例如，電磁場產(chǎn)生的光子沒有質(zhì)量，故其力程是無限的。根據(jù)霍里和惠特曼等人的觀測，地面上空的物質(zhì)密度約為0.59克/立方厘米，而變色龍粒子的質(zhì)量約為中子的10-9，其力程不會超過1毫米。但在宇宙空間，物質(zhì)密度約為10-29克/立方厘米，變色龍粒子的質(zhì)量直跌22個數(shù)量級，其力程可以超過幾百萬光年。

霍里等人認(rèn)為，最重要的是進行實驗驗證。由于變色龍粒子的第五種力是理論家推測得出的，如果按這種思路來設(shè)計實驗，取得成功的可能性是極大的。

一晃5年過去了，霍里觀點的支持者最近可能要發(fā)力了。

2014年8月，全球宇宙學(xué)家在芝加哥召開大型會議（COSMO），討論粒子物理和宇宙學(xué)的問題。

會議上，科學(xué)家首先圍繞兩種力展開了爭論，它們都可能把宇宙拆散。一種是暴脹，它出現(xiàn)在大爆炸后的瞬間，使宇宙以冪級數(shù)快速膨脹（幸好它很快結(jié)束，才有我們今日之宇宙）；另一種就是暗能量，它在使宇宙加速膨脹。

2014年3月，BICEP2團隊在宇宙微波背景上測得了圖譜，并認(rèn)為它可以證實的確發(fā)生過一次暴脹。但會上的科學(xué)家認(rèn)為，這一結(jié)果有待進一步證實，因為星系塵埃對微波信號的碰撞也會產(chǎn)生類似的圖譜。果然，在將這一圖譜與“普朗克”在同一天區(qū)獲得的數(shù)據(jù)做了疊加分析后，2015年1月，BICEP2團隊宣布撤回他們的論文。

會議很快轉(zhuǎn)到暗能量的議題上。暗能量是因理論需要而提出的概念，它可以產(chǎn)生一種反引力（斥力），能夠解釋目前觀測到的加速膨脹。但對其性質(zhì)，我們可以說是一無所知。

令COSMO感到欣慰的是，有關(guān)暗能量的最新研究可能表明，膨脹是一種時空本身的基本性質(zhì)。

變色龍的遮蔽

許多科學(xué)家認(rèn)為，暗能量是用反引力把宇宙推開的。若果真如此，為何人們在實驗室內(nèi)從未見過它？一種假設(shè)是，這個反引力僅適用于近真空的環(huán)境，在真空中它才會發(fā)揮作用。而我們太陽系的空間具有較大的物質(zhì)密度，這個反引力被屏蔽了。

現(xiàn)在，C.巴策及和其同事已在實驗室內(nèi)進行測試，尋找這種變色龍力。

巴策及說，如果暗能量效應(yīng)（即變色龍力）只有在宇宙真空中才能被感覺到，那么同樣的效應(yīng)也有可能在一個真空室內(nèi)呈現(xiàn)出來。這個真空實驗室是這樣的：室內(nèi)有一個穩(wěn)定的小球和含1000顆原子的云層。

巴氏小組打算用激光將真空室內(nèi)的原子推動1毫米。當(dāng)這些原子運動時，它們將受到地球引力的拉力和小球的拉力。這個實驗可以測出究竟是什么力在影響它們。因為這些原子的路徑將受到干擾，并在它們的最終量子態(tài)上表現(xiàn)出來。

這個實驗現(xiàn)在還沒有開始，巴氏小組希望美國國防部的量子GPS系統(tǒng)能夠提供一個特殊激光器。

不過，話說回來，即使找到變色龍力，也并不意味著已找到暗能量，但這將解釋我們在局部空間中探測暗能量的嘗試為何失敗。同時，也證明了屏蔽機制。

時空的量子

一項在芝加哥郊外小屋中進行的實驗可能說明，暗能量是一種簡單的時空特性，十分類似于水分子相互作用時其行為在流體力學(xué)上的表現(xiàn)。

巴氏實驗的參與者霍魯米塔說，他們是在找時空的基本單位——“Jetter”。它的體積可能只是質(zhì)子的10-18。在量子尺度上，這些時空小微點的行為更像波而不是粒子。

這個理論說，構(gòu)成空間的是波而不是點，萬物皆處在微微的振動之中，而不是固定在那里。芝加哥大學(xué)的克雷格·霍根目前正在做實驗，嘗試根據(jù)霍魯米塔的設(shè)計測量Jetter。

他們讓兩條強激光束穿過長40米的管道，管中懸掛著許多小鏡面。激光將測量沿路的鏡面位置。若時空是平滑的，并表明無量子行為，那么鏡面將完全處在平靜狀態(tài)；若兩條激光測得的鏡面位置具有同一個小差異，就意味著鏡面處在空間織物的起伏之中，被微微地?fù)u晃著。

霍根說，從這一思想再跨出一步，時空的量子態(tài)跟物質(zhì)可能是相互糾纏的，因此你無法在不影響那個的情況下測量這個。

現(xiàn)在，我們最好的理論是用幾何學(xué)來描述時空，而用量子場來研究物質(zhì)?？茖W(xué)界正為把這二者結(jié)合起來而努力?；舾f，若霍魯米塔能在實驗中看到一些東西，將有助于達成這一目標(biāo)。在微觀尺度上，這兩種特性是合一的。單是時空的幾何學(xué)性質(zhì)，就應(yīng)使宇宙膨脹。

霍根在COSMO會議上發(fā)言說，最初的結(jié)果表明霍魯米塔將最終測出空間量子的起伏。若如此，也就有可能收集足夠的數(shù)據(jù)，在較短時間內(nèi)做出較為全面的回答。這也就是說，他們將測得Jetter。

大部分暗能量模型認(rèn)為，其數(shù)量應(yīng)該是一個常數(shù)。但10年前宇宙學(xué)家認(rèn)識到，其總密度正在變大，我們可能將面臨一個噩夢——大撕裂。時空日益快速膨脹，物質(zhì)將被撕開，這開始于星系團的離散，最終將是原子核的破碎。因此，宇宙學(xué)家又把暗能量稱為“幽靈能量”。

為證實這些，密歇根大學(xué)的D.赫特轉(zhuǎn)而測量超新星Ia。這些巨星爆炸時具有同樣的亮度，因此可被當(dāng)作宇宙的量天尺，以探測天體間的距離。20世紀(jì)90年代末期，第一個說明宇宙膨脹在加速的證據(jù)，正是通過超新星得到的。若超新星過去的離開速度慢于現(xiàn)在，則說明暗能量的密度可能正在增大。

赫特等人已將最新的超新星測量數(shù)據(jù)編輯成表。他們發(fā)現(xiàn)，在過去的20億年中，暗能量的密度略有增大，但這不具有統(tǒng)計學(xué)意義。

“幽靈能量”是一個弱勢理論，其影響卻如此之大。赫特說：“我們可能要完全修改關(guān)于暗能量的現(xiàn)行思想?！?/p>