石無魚

一個世紀前，在天文學(xué)家心目中，宇宙還是一個平靜的所在。即使當時整個歐洲都卷入了第一次世界大戰(zhàn)，但愛因斯坦還是認為，宇宙從整體上說應(yīng)該是靜止的。所以，他在1917年2月提交給普魯士科學(xué)院的一篇論文中，為他剛出爐的廣義相對論方程添加了新的一項——宇宙學(xué)常數(shù)，旨在保證宇宙永恒靜止。

今天，歐洲是和平的，但宇宙卻騷動不已。我們早就拋棄了愛因斯坦關(guān)于一個靜止不變的宇宙的構(gòu)想。如今，這個宇宙不僅在膨脹，而且在神秘的暗能量作用下，膨脹還在加速。至于暗能量，除了知道它占宇宙總物質(zhì)-能量近2/3之外，沒有人知道它是什么。

而最近，新的測量表明，我們過去對暗能量的理解很可能也是錯的，一個新的幽靈潛藏在宇宙中……

宇宙學(xué)常數(shù)扮演角色的演變

當愛因斯坦在1915年完成對廣義相對論的最后一次修改時，他陷入了進退兩難的境地。他的方程固然為受萬有引力支配的宇宙提供了一個優(yōu)雅簡潔的描述，但有一件事讓他不安：沒東西能讓宇宙保持靜止。這個宇宙模型暗示，宇宙或者是膨脹的，膨脹到把自身撕裂為止，或者是收縮的，收縮到一個奇點。這可不符合當時的人們對于宇宙的理解。他的解決方案是，在方程中引入一個叫“宇宙學(xué)常數(shù)”的項，由它來提供為保持宇宙靜止所需的能量。這個數(shù)值具體取多少，則依賴于觀測。

事實很快證明，愛因斯坦這么做是畫蛇添足。二十世紀20年代，美國天文學(xué)家哈勃等人發(fā)現(xiàn)，遙遠的星系正彼此遠離，宇宙正在膨脹，而不是愛因斯坦所設(shè)想的靜止。面對這一事實，愛因斯坦坦率承認，引入宇宙學(xué)常數(shù)是他一生最大的錯誤。

但是，也許匆匆承認自己錯了才是更大的錯誤呢。上世紀90年代末，有兩組天文學(xué)家通過觀測宇宙深處超新星的亮度，發(fā)現(xiàn)宇宙在加速膨脹。宇宙膨脹在加速，說明必定有什么東西抵消了引力的減速作用，天文學(xué)家把這種未知的東西稱作暗能量。

但如何在愛因斯坦的宇宙模型中，把暗能量考慮進去呢？最簡單的辦法就是恢復(fù)宇宙學(xué)常數(shù)。雖然最初愛因斯坦是為了讓宇宙保持靜止而引入它的，但只要給予一個適當?shù)闹担部梢援a(chǎn)生使宇宙膨脹加速的效果。最新的觀測表明，用宇宙學(xué)常數(shù)所描述的暗能量，大約占宇宙總物質(zhì)-能量的68%。

那么，暗能量又是什么呢？大多數(shù)物理學(xué)家青睞的一種解釋是，它代表著空間的能量。因為按現(xiàn)代物理學(xué)的觀點，空間不空，虛空也是有能量的，里面此起彼伏地發(fā)生著量子漲落。而在廣袤的星際空間，什么都缺，就是不缺虛空。把虛空所含的能量考慮進去，那是一項不小的“收入”。但遺憾的是，即使根據(jù)目前最好的估計，這些虛空的能量密度也比推動宇宙加速膨脹所需要的暗能量密度，要高出10120倍。

但即便如此，暗能量和宇宙學(xué)常數(shù)如今已牢牢成為宇宙標準模型的支柱。比起愛因斯坦最初的宇宙模型來，這個模型包含了兩種新東西：一種是暗能量，用宇宙學(xué)常數(shù)來描述；另一種是暗物質(zhì)，這也是一種神秘不可見的東西，它在星系演化過程中扮演著“腳手架”的角色。

暗能量的作用是推動宇宙加速膨脹（注意：宇宙膨脹是大爆炸的結(jié)果，只有加速膨脹才是暗能量推動的結(jié)果）；而暗物質(zhì)和普通物質(zhì)的作用卻是使宇宙膨脹減速。當然，既然宇宙膨脹在加速，那說明前者的作用要大于后兩者的作用之和。

宇宙的標準“制服”不合身了

在過去的幾十年里，宇宙標準模型已證明是相當成功的，我們迄今對宇宙的任何新發(fā)現(xiàn)，新認識，它都能解釋。

但最近幾年，事情變得有些不妙。為宇宙精心定制的這套“制服”，忽然變得“不合身”了。

壞事出在哈勃常數(shù)上。哈勃常數(shù)是天文學(xué)家用來描述宇宙膨脹的速率的。根據(jù)哈勃在上世紀初的觀測，遙遠星系遠離我們的速度V跟它離我們的距離D成正比，比例系數(shù)即為哈勃常數(shù)H。這一簡單的關(guān)系可寫成V=HD。從這個式子可以看到，H的單位是速度/距離。

直到最近，哈勃常數(shù)公認的值都來自于歐洲航天局的普朗克衛(wèi)星。它精確測量了宇宙微波背景輻射（一種宇宙大爆炸后的殘余輻射）后，利用現(xiàn)有的宇宙標準模型間接推算出的哈勃常數(shù)是67.3千米每秒每百萬秒差距。

但這不是獲得哈勃常數(shù)的唯一方法。

自從哈勃的年代起，天文學(xué)家就已經(jīng)在利用來自遙遠的恒星或星系的光來直接測量哈勃常數(shù)了。一些被稱為標準燭光的恒星散發(fā)的能量（天文學(xué)上叫光度，也就是實際亮度，它不隨觀測距離而變化，就像100W的燈泡，雖然近處看很亮，遠處看很暗，但它都是100W）是可預(yù)測的，只要把它的實際光度跟我們在地球上看到的它的視亮度作比較，就能精確確定其距離。就像100W燈泡，我們在遠處用儀器測出它的亮度，就可以計算出我們與燈的距離。這樣由近及遠地測量宇宙中一顆顆“標準燭光”，能夠讓我們把標示距離的“里程碑”向宇宙深處一級級推進。這項技術(shù)叫宇宙距離階梯測量。

十年前，宇宙膨脹加速這一事實就是通過宇宙距離階梯測量發(fā)現(xiàn)的。此后十年，天文學(xué)家又不斷地修正測量結(jié)果和擴大測量范圍，并由此不斷提高哈勃常數(shù)的精度。

還在2011年，通過宇宙階梯距離測量直接得到的哈勃常數(shù)，與來自普朗克衛(wèi)星間接推算所得的哈勃常數(shù)，還看不出有明顯的矛盾——主要是當時兩者都存在較大的誤差。然而，自那以后，兩者的精度都提高了，誤差減少了，這兩個數(shù)值就表現(xiàn)出明顯的差異。最新的宇宙階梯距離測量將哈勃常數(shù)定在73.2千米每秒每百萬秒差距，這與普朗克衛(wèi)星測量推算的值67.3千米每秒每百萬秒差距已有了明顯的差距。

這就讓事情變得棘手。因為來自普朗克衛(wèi)星的哈勃常數(shù)是通過宇宙標準模型間接推算出來的。這意味著宇宙實際膨脹速度比標準模型預(yù)言的要快（V=HD，H大了，宇宙膨脹速度V自然也就大了）。

既然宇宙標準模型已經(jīng)把該考慮的一切——暗能量和暗物質(zhì)——都考慮進去了，現(xiàn)在還是與實際不符，那意味著必定有什么東西、什么關(guān)系被它遺漏了。那會是什么呢？

“幽靈暗能量”來赴宴了

當前，最大的懷疑對象還是標準模型中的宇宙學(xué)常數(shù)所代表的暗能量。有人提出，我們應(yīng)該放松“暗能量密度在整個宇宙一生中必須保持恒定”這一要求。換句話說，宇宙學(xué)常數(shù)不再是一個恒定不變的常數(shù)，而是會隨著時間推移在增加。

這也意味著暗能量會隨著時間變化。當然，暗能量會變化的觀點在歷史上也不新鮮。早在上世紀80年代，雖然當時還沒有明確提出暗能量這個概念，但有人就提出，宇宙中存在一個無孔不入的場，類似于第五種相互作用力，但場的強度可以隨著時間改變，一種負能量——將宇宙分開的能量——必須不斷地產(chǎn)生，并且一旦產(chǎn)生就不會消失。

當然，這種觀點之前是無法接受的，從傳統(tǒng)的觀點看，能量不能無中生有。所以，有人戲稱這種理論中的暗能量是“幽靈暗能量”。暗能量本來就夠幽靈的了，因為我們迄今對它幾乎一無所知，但它又決定了宇宙的命運；而現(xiàn)在，它又違反能量守恒定律，能從虛無中產(chǎn)生，那真是比幽靈還幽靈了。

盡管不一定接受老版本的“幽靈暗能量”理論，但鑒于近幾年宇宙標準模型遇到的困難，宇宙學(xué)家不得不驚呼：“幽靈暗能量”又回來了！

藏在幽靈面具背后的

會是什么？

那么，“幽靈暗能量”會是什么呢？在這里，科學(xué)家也“技窮”了，只能姑妄言之。

一種觀點認為，宇宙中兩個最“不合群”的居民——暗物質(zhì)和暗能量——可能以某種方式秘密地互動，造成我們所看到的影響。例如，如果暗物質(zhì)不斷地衰變成暗能量，那就可以解釋暗能量的增長。另一種觀點認為，有幾個迄今未發(fā)現(xiàn)的能量場以某種方式相互作用，產(chǎn)生了一種隨時間變化的排斥力。

如果能證明“幽靈暗能量”是子虛烏有的幽靈，當然是最理想的結(jié)果。所以，天文學(xué)家們還是希望能用更精確的觀測來彌合理論與實際的分歧。將在2020年初發(fā)射的歐幾里得空間探測器以及擬在2019年初開始測量南半球天空的大型巡天望遠鏡，將有助于改進哈勃常數(shù)的測量精度。

另外，在2017年，激光干涉引力波天文臺（LIGO）和室女座探測器同時探測到了兩顆中子星碰撞產(chǎn)生的時空漣漪——引力波。這是天文學(xué)家第一次使用引力波探測器和光學(xué)探測器觀測到同一個天文事件。雖然單獨的引力波測量，也可以顯示宇宙的膨脹速度，但目前誤差太大，而引力波探測器和光學(xué)探測器這種組合將為他們提供了一種更高精度的探測技術(shù)。

所以，“幽靈暗能量”到底有沒有，在塵埃落定之前，讓我們還是先不要急著下結(jié)論吧。

小貼士

標準燭光

天文學(xué)上已知光度的天體。由于一些天體特殊的發(fā)光機制，它們的光度是可以預(yù)測的，而且這類天體在任何位置、任何時間，其光度都保持恒定。這就讓它們可用做標示宇宙距離的“里程碑”。選做標準燭光的天體一般是超新星。

秒差距

像光年一樣，這是天文學(xué)上常用的一個距離單位。假設(shè)有一顆恒星，以太陽、地球和它為頂點構(gòu)成一個三角形，底邊是日地連線。如果恒星離太陽系足夠遙遠，我們可以近似認為它離太陽和地球是等距的。如此一來，這個三角形就是一個等腰銳角三角形。顯然，所張銳角越小，恒星離我們越遠。所以，所張角度數(shù)可當作衡量恒星距離的一個標準。1秒差距就是指，當張角度數(shù)為1秒時，恒星離開我們的距離。1秒差距大約相當于3.26光年。注意，百萬秒差距，嚴格說應(yīng)該是百萬分之一秒差距。這是翻譯上的一種簡略說法。百萬秒差距就是3.26×106光年。