陳厚尊

暗物質(zhì)決定了宇宙今天的形貌

暗物質(zhì)，尤其是冷暗物質(zhì)的演化，決定了如今我們所見(jiàn)宇宙的模樣。這是天文學(xué)家研究暗物質(zhì)多年以后達(dá)成的一個(gè)共識(shí)。21世紀(jì)初，許多新上馬的大型巡天項(xiàng)目都證實(shí)了一件事：星系在宇宙空間中的分布并不均勻，而是排列成一些巨大而怪異的片狀結(jié)構(gòu)或纖維狀結(jié)構(gòu)，前者稱為星系墻，后者稱為星系纖維。這是目前已知的宇宙中最大的結(jié)構(gòu)。而在更大的尺度上，宇宙的物質(zhì)分布就變得均勻了。事實(shí)上，宇宙的均勻性和各向同性也是現(xiàn)代宇宙學(xué)的兩個(gè)基本假設(shè)。典型的星系纖維尺度約為3億光年，幾條星系纖維相接的點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)，是宇宙中物質(zhì)密度最高的地方。纖維和墻圍成的區(qū)域稱為空洞，空洞內(nèi)的星系密度遠(yuǎn)低于纖維和節(jié)點(diǎn)。那里沒(méi)有恒星，沒(méi)有星云，就連暗物質(zhì)都很難偵測(cè)到，堪稱宇宙中最荒涼的地方。星系墻、星系纖維、節(jié)點(diǎn)和空洞合稱為宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)（LSS，Large-scale Structure）。

宇宙中的星系團(tuán)為什么會(huì)組成墻、節(jié)點(diǎn)、纖維、空洞等大尺度結(jié)構(gòu)？威爾金森微波各向異性探測(cè)器繪制的全天微波背景輻射分布圖，展現(xiàn)了宇宙大爆炸后38萬(wàn)年背景輻射能量的全天分布情況。彼時(shí)，對(duì)應(yīng)的紅移值約為1100（大爆炸時(shí)對(duì)應(yīng)的紅移值是無(wú)窮大）。由于時(shí)空的膨脹效應(yīng)，宇宙中輻射的波長(zhǎng)一直在拉長(zhǎng)。當(dāng)宇宙年齡為38萬(wàn)歲的時(shí)候，物質(zhì)與輻射間發(fā)生了退耦。這意味著輻射光子可以在時(shí)空中自由穿行，成為一種背景輻射，蔓延至太空的各個(gè)角落。我們的宇宙第

一次變得澄明起來(lái)。威爾金森微波各向異性探測(cè)器發(fā)現(xiàn)，宇宙微波背景輻射具有高度各向同性的同時(shí)，還存在一些微小漲落，漲落幅度小于平均值的千分之三。這是宇宙早期物質(zhì)的密度漲落在微波波段留下的痕跡。它表明，宇宙大爆炸后38萬(wàn)年，物質(zhì)密度的擾動(dòng)還不足千分之幾。那么，這區(qū)區(qū)千分之幾的密度漲落“種子”，是如何演化成今日彌漫宇宙各處的節(jié)點(diǎn)、纖維和空洞等大尺度結(jié)構(gòu)的呢？通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，單靠重子物質(zhì)間的引力凝聚作用，大爆炸

后138億年的宇宙仍舊一片黑暗，連一顆恒星也誕生不了。寒冷而稀薄的物質(zhì)如同淤泥般均勻，了無(wú)生氣。若現(xiàn)實(shí)如此，那生命和人類也就不復(fù)存在了。

目前的觀測(cè)表明，許多星系和類星體是在紅移值1至6期間形成的，在紅移值6至11之間形成的星系或類星體非常稀少。迄今，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的最遠(yuǎn)天體，是一個(gè)編號(hào)為GN-z11的高紅移星系，其紅移值達(dá)到了11.09，相應(yīng)的到地球的距離約320億光年。它的光芒來(lái)自大爆炸后僅4億年。有天文學(xué)家認(rèn)為，宇宙中最早一批誕生的天體可追溯至紅移值20至30時(shí)期，它們屬于所謂的星族Ⅲ天體，但目前還沒(méi)有直接的觀測(cè)證據(jù)證明這一點(diǎn)?，F(xiàn)在，人們常把紅移值10至1000的

時(shí)期稱為宇宙的“黑暗時(shí)代”（Dark Ages），因?yàn)樵诖似陂g，除了彌漫太空的背景輻射外，沒(méi)有任何發(fā)光天體被觀察到。天文學(xué)家對(duì)這一時(shí)期宇宙中究竟發(fā)生了什么幾乎一無(wú)所知。不過(guò)可以肯定的是，冷暗物質(zhì)的引力聚集效應(yīng)在大尺度結(jié)構(gòu)的形成和演化過(guò)程中起到了決定性作用，它大大加速了正常物質(zhì)的凝聚進(jìn)度，使宇宙僅用4億年便走完了它的“黑暗時(shí)代”。

暗物質(zhì)與星系形成

從物理學(xué)的角度看，以冷暗物質(zhì)為主導(dǎo)的星系和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程很復(fù)雜，其中需要考慮的物理機(jī)制和反饋效應(yīng)非常多。除此之外，占宇宙物質(zhì)總量絕大部分的暗物質(zhì)的本質(zhì)到現(xiàn)在也不很清楚，只能先做某些假設(shè)。由于這些方面的原因，以大型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的超大規(guī)模宇宙學(xué)模擬已經(jīng)成為星系形成和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域中越來(lái)越重要的手段。圖3展現(xiàn)的是一幅典型的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)模擬圖。對(duì)比圖1和圖3可以發(fā)現(xiàn)，兩者的相似度很高。這是數(shù)值模擬技術(shù)的偉大勝利，它至少證明接下來(lái)我們講述的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的演化圖像，與“黑暗時(shí)代”曾經(jīng)發(fā)生過(guò)的真實(shí)情形，在某種程度上是比較接近的。

首先，冷暗物質(zhì)與輻射發(fā)生退耦的時(shí)間點(diǎn)非常早。目前，天文學(xué)家尚不清楚冷暗物質(zhì)粒子（WIMPs）之間除了萬(wàn)有引力外，是否存在弱相互作用。若猜測(cè)屬實(shí)，那么，冷暗物質(zhì)與輻射間的退耦應(yīng)發(fā)生于輕子時(shí)代。彼時(shí)，宇宙的溫度約為1011K，年齡只有幾百分之一秒。此后，冷暗物質(zhì)便以暴脹時(shí)代遺留下來(lái)的密度擾動(dòng)為“種子”，開(kāi)啟了獨(dú)立的演化進(jìn)程，直至今日不曾間斷。要知道，在輕子時(shí)代，構(gòu)成你我的普通重子物質(zhì)才剛剛從大統(tǒng)一方程（GUT）的余燼中沉淀出來(lái)，還是一鍋等離子體的熱湯，弱相互作用與電磁相互作用扭結(jié)在一起難分彼此?？傊?，除了暗物質(zhì)以外，一切還都處于混沌未分的熱平衡中。

沒(méi)有了輻射的驅(qū)散作用，冷暗物質(zhì)粒子想要在萬(wàn)有引力的作用下發(fā)生凝聚，還必須克服宇宙自身的膨脹效應(yīng)。理論分析表明，后者在某種程度上確實(shí)能延緩冷暗物質(zhì)的坍縮進(jìn)度，卻無(wú)法徹底阻止它。在今天，人們喜歡用“無(wú)摩擦的坍縮流體模型”來(lái)描述冷暗物質(zhì)的凝聚過(guò)程，原因是摩擦作用本質(zhì)上也是一種電磁相互作用，而暗物質(zhì)粒子是不參與電磁相互作用的。因此，冷暗物質(zhì)不能像正常的星云那樣以熱輻射的形式耗散掉多余的引力勢(shì)能，只能將其轉(zhuǎn)化為WIMPs的動(dòng)能。一般來(lái)講，均勻分布的暗物質(zhì)在三個(gè)空間方向上的坍縮速度總是有些許差別的。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)方向（也就是坍縮速度最快的方向）坍縮完畢后，原本均勻分布的暗物質(zhì)就會(huì)形成類似片狀的結(jié)構(gòu)；片狀的暗物質(zhì)繼續(xù)收縮，當(dāng)?shù)诙€(gè)方向也坍縮完畢的時(shí)候，就變成了纖維狀；纖維狀的暗物質(zhì)繼續(xù)收縮，從中部扯斷了原先的纖維，最終演化成高密度的節(jié)點(diǎn)。至此，所有觀測(cè)到的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)都依序出現(xiàn)了。重子物質(zhì)與背景輻射的退耦發(fā)生于大爆炸后38萬(wàn)年，此時(shí)，冷暗物質(zhì)的坍縮格局業(yè)已形成。在后者強(qiáng)大的引力作用下，占所有物質(zhì)比例不到1/6的重子物質(zhì)紛紛落入冷暗物質(zhì)提前架構(gòu)好的引力勢(shì)井內(nèi)，并很快催生出了第一代恒星、星系和類星體，結(jié)束了宇宙的“黑暗時(shí)代”。

這便是暗物質(zhì)演化的全部秘密嗎？恐怕不是。整個(gè)故事雖然表面上看起來(lái)順理成章，但其中的許多環(huán)節(jié)還經(jīng)不起推敲，甚至與實(shí)際觀測(cè)存在出入。目前，天文學(xué)家仍在不斷打磨這個(gè)故事，仔細(xì)考察它的每一個(gè)環(huán)節(jié)。這并非簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的完善和修補(bǔ)工作，而是一個(gè)重新解讀、重新認(rèn)知的階段。說(shuō)不定在打磨故事的過(guò)程中，天文學(xué)家會(huì)找到探秘暗物質(zhì)本質(zhì)的金鑰匙。筆者始終相信，時(shí)至今日，人類距離揭開(kāi)暗物質(zhì)神秘面紗的一天已為期不遠(yuǎn)！

何為暗能量

說(shuō)完了暗物質(zhì)，我們?cè)賮?lái)說(shuō)說(shuō)暗能量（Dark Energy）。時(shí)間回到20世紀(jì)八九十年代。當(dāng)時(shí)，以愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型遇到了一個(gè)尷尬的困難，即：對(duì)于一個(gè)純粹由物質(zhì)（包括輻射）構(gòu)成的宇宙，根據(jù)弗里德曼方程組計(jì)算出的宇宙年齡只有大約93億年，這比銀河系里的許多白矮星和球狀星團(tuán)的年齡還要小。這明顯是荒謬的。直到1998年，來(lái)自美國(guó)的兩個(gè)超新星研究小組，即超新星宇宙學(xué)項(xiàng)目組SCP和高紅移超新星搜尋組，仔細(xì)測(cè)量了河外星系里爆發(fā)的幾十顆高紅移的Ia型超新星（參見(jiàn)圖4），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些高紅移超新星遵從的“紅移—視星等關(guān)系”顯示目前的宇宙似乎正在加速膨脹，而且，加速因子的數(shù)值與當(dāng)時(shí)人們普遍認(rèn)為的平直宇宙和開(kāi)放宇宙都不同，而應(yīng)當(dāng)是一個(gè)宇宙學(xué)常數(shù)項(xiàng)Λ 不為零的平直宇宙。正是由于這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)超新星研究小組的三名天文學(xué)家：索爾·珀?duì)栺R特、布萊恩·施密特和亞當(dāng)·里斯共同分享了2011年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。令人欣喜的是，宇宙加速膨脹的事實(shí)使得宇宙年齡的矛盾得以解決。理論分析表明，加速膨脹的宇宙年齡比沒(méi)有加速膨脹的宇宙年齡更長(zhǎng)，約為137億年。根據(jù)2013年發(fā)射的普朗克衛(wèi)星發(fā)回的最新數(shù)據(jù)，宇宙年齡的精確值被進(jìn)一步修正為138.2億年。

那么，宇宙學(xué)常數(shù)項(xiàng)Λ不為零代表的含義究竟是什么？單從數(shù)學(xué)的角度看，愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程里的Λ只是一個(gè)無(wú)法被人為排除的平庸項(xiàng)，像是不定積分公式里甩不掉的“常數(shù)尾巴”，它的取舍只能取決于實(shí)際的天文觀測(cè)。從物理的角度看，Λ不為零代表了真空本身也具有一份恒定不變的能量，即所謂的暗能量。熱衷愛(ài)因斯坦八卦野史的讀者或許聽(tīng)說(shuō)過(guò)，為了得到一個(gè)與其心目中的“靜止宇宙”相符的理論模型，愛(ài)因斯坦曾經(jīng)武斷地設(shè)定了一個(gè)Λ的數(shù)值，甚至還給出了計(jì)算

公式?？墒菦](méi)過(guò)幾年，美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·哈勃便根據(jù)河外星系的紅移數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了宇宙膨脹的事實(shí)，而沒(méi)有宇宙學(xué)常數(shù)項(xiàng)的愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程恰好能描述這個(gè)膨脹的宇宙。這一下，愛(ài)因斯坦覺(jué)得自己犯下了一個(gè)十分愚蠢的錯(cuò)誤（以后人的角度看，愛(ài)因斯坦此生最大的錯(cuò)誤其實(shí)是對(duì)量子力學(xué)的反駁和嘲弄，而非添加宇宙常數(shù)）。不過(guò)，歷史的發(fā)展總是非常具有戲劇性，后世的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，宇宙學(xué)常數(shù)Λ不為零的愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程恰好可以給出宇宙加速膨脹的合理解釋！

事實(shí)上，針對(duì)暗能量和宇宙的加速膨脹，物理學(xué)家也曾經(jīng)從量子理論出發(fā)，試圖給出其他解釋，其中多數(shù)涉及真空本質(zhì)的問(wèn)題。只可惜，這些解釋中沒(méi)有一個(gè)比愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程更簡(jiǎn)潔、更具說(shuō)服力，因此沒(méi)有得到廣泛認(rèn)可。根據(jù)弗里德曼方程，宇宙的膨脹一旦被真空能主導(dǎo)，就會(huì)以指數(shù)形式永遠(yuǎn)膨脹下去。有趣的是，宇宙上一次以指數(shù)形式膨脹，還是在極早期的暴脹時(shí)代，二者在形式上有頗多相似之處。不過(guò)，由真空能主導(dǎo)的指數(shù)膨脹要“溫和”許多，它將引導(dǎo)我們的宇宙走向所謂的“熱寂”狀態(tài)。許多物理學(xué)家都對(duì)這一結(jié)果深感失望和不安，似乎在人們的潛意識(shí)里，一個(gè)有始有終、無(wú)限循環(huán)的宇宙才是完美的?？墒牵锢韺W(xué)的規(guī)律從來(lái)不以人的意志為轉(zhuǎn)移，曾幾何時(shí)，就連愛(ài)因斯坦也認(rèn)為我們的宇宙應(yīng)當(dāng)是靜止而永恒的。

今天，不為零的宇宙學(xué)常數(shù)Λ已被現(xiàn)代宇宙學(xué)模型吸納，進(jìn)一步結(jié)合前面提到的冷暗物質(zhì)模型，現(xiàn)代宇宙學(xué)模型又被稱為ΛCDM模型。

暗能量的本質(zhì)是什么

如前所述，從物理學(xué)的角度看，Λ不為零表示真空本身也具有一份能量，即真空能，其密度不隨宇宙的膨脹發(fā)生變化。因此，在宇宙膨脹早期，宇宙學(xué)常數(shù)項(xiàng)Λ對(duì)宇宙演化的影響可以忽略。直到最近幾億年，其作用才突顯出來(lái)。事實(shí)上，真空具有一定能級(jí)的想法由來(lái)已久。早在量子力學(xué)創(chuàng)立初期，物理學(xué)家就注意到，幾乎所有的量子體系都有一個(gè)神秘的零點(diǎn)能（Zero-point Energy）。后來(lái)才知道，這是真空具有的能級(jí)，是不確定性原理的必然推論。從量子場(chǎng)論的角度看，所謂的真空其實(shí)是一種場(chǎng)的基態(tài)。這意味著在一定條件下，真空可以被激發(fā)，可以創(chuàng)生出物

質(zhì)。20世紀(jì)80年代初由古斯和林德等人提出的暴脹宇宙學(xué)模型就建立在“真空相變”的假設(shè)上。根據(jù)這一理論，大爆炸發(fā)生后，我們的宇宙曾經(jīng)歷過(guò)一輪規(guī)模巨大的真空相變，原先的真空在一瞬間進(jìn)入過(guò)冷態(tài)，在此期間，宇宙的尺度在10-33秒內(nèi)急劇膨脹了1043倍，從微觀尺度瞬間成長(zhǎng)為宏觀尺度！巨大的真空相變潛熱將整個(gè)宇宙重新加熱了一次，并留下了前文提到過(guò)的原初物質(zhì)密度漲落。暴脹模型為我們描述了一幅極不尋常的宇宙早期圖景，雖然在理論上還有許多問(wèn)題有

待探討，但暴脹模型完美地解決了20世紀(jì)標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型遇到的“視界”和“平性”兩大疑難。目前，該模型原則上已被國(guó)際學(xué)術(shù)界廣泛接受。

利用量子力學(xué)的不確定性關(guān)系，也可以粗略估計(jì)一下真空的能量密度，但是所得結(jié)果與實(shí)際的觀測(cè)相差了120多個(gè)數(shù)量級(jí)。這意味著一個(gè)發(fā)生概率完全可以看作是零的事件，竟然變成了現(xiàn)實(shí)。這樣的偶然性很難讓人接受。為了調(diào)和理論與觀測(cè)間的巨大分歧，物理學(xué)家也提出了一些可能的機(jī)制，比如，費(fèi)米子和玻色子對(duì)真空能量密度的貢獻(xiàn)是相反的，由于對(duì)稱性破缺，兩者并非百分之百抵消，而是殘余一個(gè)小量，即今天觀測(cè)到的暗能量。目前這些還只是猜測(cè)，并未得到證實(shí)。這暗示我們，現(xiàn)代物理學(xué)有關(guān)真空的認(rèn)識(shí)很可能也存在根本性的錯(cuò)誤，看似虛無(wú)的真空實(shí)際上蘊(yùn)藏了許多奧秘。而要真正破解這些奧秘，恐怕就要寄希望于傳說(shuō)中的量子引力論了。