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现代物理学对于暗能量实验研究综述

1.暗能量合作计划先行一步成为超越爱因斯坦计划领航员

作者：刘霞来源：科技日报发布时间：2007-9-119:56:20

美国国家研究委员会的最新报告声称，美国宇航局和美国能源部将把“暗能量合作计划（JDEM）”作为“超越爱因斯坦”计划的第一步来先行实施.报告说，本来，使用空间激光干涉天线探测引力波的计划应是“超越爱因斯坦”的旗舰计划，它由美国宇航局和欧洲空间局联手进行.然而，在空间激光干涉天线被发射到太空以前，需要做大量测试，且必须等待欧洲空间局2009年升空的“探路者”的结果.因此，“暗能量合作计划”是目前最具技术可行性的选择.

美国宇航局的“超越爱因斯坦”计划是在2003年出台的，主要目的是针对爱因斯坦提出的一些最基本问题进行新的探索，研究黑洞并追溯宇宙大爆炸.它计划2009年上马，由两个天文学观测计划——空间激光干涉天线和“星群－X计划”组成，包括黑洞发现者探测器及暗能量探测器等一系列探测器.黑洞发现者探测器用于更大范围地搜索太空，来寻找黑洞线索，帮助科学家为“星群－X计划”挑选目标；暗能量探测器则将通过观察超新星，使天体物理学家依靠导向目标，追踪暗能量的属性.在国会和科技政策办公室支持下，美国宇航局和美国能源部要求该委员会对这5个项目进行评估，推荐一个“领头羊”.

美国加州大学环境和可持续发展研究专家查尔斯·科勒说：“‘超越爱因斯坦’计划可能改变我们对宇宙的理解.‘暗能量合作计划’可以直达计划的核心，最具有技术可行性.同时与其它任务相比，并不需要很大的技术改进.”

研究人员最感兴趣的是宇宙扩展的速度是否随时间而改变.迄今为止，在该领域，科学家已开始研究超新星加速探测器、暗物质太空望远镜和高级暗物质物理望远镜.“暗能量合作计划”可能建立在其中一个或几个的基础上.

2004年1月布什总统宣布，美国宇航局将集中精力在机器人和对月球、火星的探索上，“超越爱因斯坦”计划因为与这一目标不吻合而被搁置.2004年8月美国宇航局和欧洲空间局达成协议，双方将联手完成“超越爱因斯坦”计划，总投入高达10亿美元.但是由于目前的技术还需要较大改进，因而造成了成本大幅超额，致使计划再次搁浅.

2.2011年10月4日，瑞典皇家科学院宣布，将2011年诺贝尔物理学奖授予索尔·珀尔马特、布莱恩·施密特和亚当·里斯三位科学家.

“过去认为在万有引力的作用下，宇宙是在减速膨胀.而他们的发现颠覆了这一观点，并且证明了暗能量的存在.”在接受《科学时报》采访时，中国科学院院士、天体物理学家陈建生说，为此，世界各国开始着手暗能量的理论和观测研究，我国也相继启动了“973”项目等相关研究和大型光学望远镜的建设.虽然目前仍不清楚暗能量的物理本质，但对该问题的研究，陈建生认为“很可能是未来基础物理学发展的突破口”.

2006年邵逸夫天文奖曾颁发给同样的三位科学家及其发现.担任该奖评审委员会主席的陈建生认为，宇宙的加速膨胀是一个惊人的重大发现，获得诺贝尔奖也在意料之中.“这项研究已成为科学前沿问题，各国都非常关注，是一个可以跟爱因斯坦相对论相比拟的新领域.”中国科学院院士、中国科学院理论物理所所长吴岳良说.“在地球上抛一个苹果上去，其上升的速度不可能越来越大，但在宇宙尺度上，确实是这样的现象.”中国科学院理论物理所研究员李淼对《科学时报》记者解释说，宇宙中存在一种具有负压强的物质形态，它可以解释天体正在以越来越快的速度远离我们，这类物质被称为暗能量.

理论物理学计算表明，如果用暗能量解释宇宙的加速膨胀，那么宇宙的73%左右由暗能量构成，22%是暗物质，而可通过常人直觉和经典理论描述、印证的物质只占4%多一点.因此，2011年诺贝尔物理学奖的发现，向人类揭露了一个近96%的成分仍然未知的宇宙.国家天文台研究员陈学雷在接受本报记者采访时说，宇宙加速膨胀的结果公布之后，仍有少数学者怀疑超新星的观测或数据分析有错误.但13年来，人们又陆续观测了几百颗超新星.“虽然还存在一些疑点，但数据经过许多天文学家反复验证，迄今并未发现大问题.”物理学家也提出了一些假说：如果宇宙持续膨胀，那么宇宙最终将变成无比寒冷的世界.对此，陈建生解释说，宇宙膨胀的结果是物质被稀释掉，而暗能量不稀释，到最后单位体积内的物质几乎就没有了.不过，“尽管宇宙在膨胀，但地球所在的太阳系内部并不膨胀，地球不会因为宇宙膨胀而死亡”.“宇宙目前有137亿年的历史，如果全宇宙要变得寒冷无比，还需要四五百亿年以上.”李淼说.

3.时间轴显示，宇宙的不断膨胀和膨胀加速与暗能量有关

新浪科技讯北京时间2月17日消息，据国外媒体报道，意大利都灵天文台天体物理学家最新提出的一项理论认为，普通物质与反物质之间的一种强大的排斥力或许可以用来解释暗能量这一神秘力量.不过，这一争议性理论也引起了诸多质疑.

1998年科学家发现宇宙不仅仅正在膨胀，而且这种膨胀正在不断加速.这种完全意料之外的行为在物理学上被称为“最深刻的问题”，因为我们目前对引力的理解认为，宇宙中物质之间的相互吸引力可能会导致宇宙膨胀放慢.在解释宇宙膨胀加速的问题时，当前主流理论认为，这主要是一种假想的排斥力的存在，即暗能量.但是，意大利都灵天文台天体物理学家马西莫-维拉塔的最新研究成果表明，暗能量产生的效果实际上应该归因于一种“反重力”，这是普通物质与反物质相互排斥产生的结果.维拉塔表示，“通常情况下，这种排斥性归因于神秘的暗能量.但是没有人知道它是什么，也不知道它的行为方式.我们现在根据众所周知的反物质的排斥力，用一种未知的元素代替一种未知的力量.”维拉塔认为，宇宙膨胀加速的关键在于广泛分布于宇宙中的大范围空隙.这些宇宙空洞每一个都有数百万光年宽，它们内部既没有星系也没有星系团，显得异常空旷.距离我们地球最近的宇宙空洞被称为“本地空洞”，位于处女座超星系团中.维拉塔认为，这些宇宙空洞中含有大量的反物质，这些反物质可能组成反物质星系、反物质恒星和反物质行星.所有这些反物质都不会发出现有传感器能够探测到的辐射，因此我们现在很难看得到它们.“宇宙空洞中的反物质为什么会看不到，可能有许多原因和解释，但是我们并不能确定究竟是哪一种.此外，实验室中的反物质行为完全不同，因为它已完全融入物质世界中.”

维拉塔表示，尽管我们看不到反物质的上层建筑，但是我们可以在可见宇宙中观测到它们的影响，因为在星系中反物质肯定会排斥普通物质，并将普通物质推开离得越来越远.维拉塔的最新研究成果即将发表于《天体物理学与空间科学》杂志之上，这一理论将有可能解决其他的宇宙奥秘，如宇宙“迷失的反物质”问题.

根据标准物理学，宇宙大爆炸中产生的物质与反物质粒子应该数量相等.然而，可见宇宙似乎主要由普通物质所主宰.为了测定“本地空洞”中究竟含有多少反物质，维拉塔首先计算究竟需要多少反物质产生的排斥力才能强大到足以解释所谓的“本地薄片”.普通物质，包括银河系和附近其他星系的普通物质都以同样的速度运行.维拉塔解释说，“如果每一个空洞包含的反物质质量与‘本地空洞’计算出的结果相近，那么我们宇宙中拥有的反物质与普通物质应该数量相等，因此最终宇宙将是一个物质与反物质对称的宇宙.”

当然，维拉塔的理论是建立在一种未经验证的假设之上，即物质与反物质是相互排斥的.英国牛津大学物理学家弗兰克-克洛泽认为，“没有任何实验证据证明反物质会排斥物质.不过，欧洲粒子物理研究所正计划验证这一观点.”

事实上，欧洲粒子物理研究所物理学家德拉甘-哈杜科维奇前不久已经提出了一个独立的反重力理论来解释暗能量和暗物质问题，该理论也是建立在物质与反物质相互排斥的基础上.哈杜科维奇认为维拉塔的理论“很有趣”，但是他并不认同宇宙是一个物质与反物质对称的宇宙的假设.

哈杜科维奇表示，“主要问题是，空洞中既然有如此大量的反物质，那为何无法看到.”哈杜科维奇的理论认为，量子空间中，反物质粒子本能地突然出现和消失.“为了解释反物质的不可见性，物质与反物质对称宇宙的支持者们将被迫采用另一种假设.如果一个理论是建立于一个假设基础上，而这个假设又马上需要另一个假设来支持，这不是一个好现象.”不过，维拉塔辩解称，其理论中的假设都是根据现有物理学中某些确定的理论提出的，根本不需要再引入另一种假设.(彬彬)