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暗能量问题的提出过程

问题导引：《科学》杂志2004年第10期的劳伦斯·M·克罗斯专访中提到：目前最让物理学家困惑的问题有三个：A、暗能量的本质是什么？B、怎样调和黑洞蒸发与量子力学？C、是否存在额外维度？

“我们至今所能达到的最远的距离为1.5亿光年，但在这个距离内我们已经发现天体在分散着，好像是受了一种扩散力似的.我们暂时在这里这样结论，宇宙斥力已获得胜利，而支配着扩散.”——A·S·爱丁顿，1932年.

宇宙学最近的两个发现证实，普通物质和暗物质还不足以解释宇宙的结构，还有第三种成分，它不是物质而是某种形式的暗能量.这种神秘成分存在的第一个证据，来源于对宇宙构造的测量，爱因斯坦认为，所有物质都会改变它周围时空的形状.因此，宇宙的总体形状由其中的总质量和能量决定.最近对大爆炸剩余能量的研究显示，宇宙有着最为简单的形状—是扁平的，这也反过来提示了宇宙的总质量密度.但天文学家在将所有暗物质和普通物质的可能来源加起来之后发现，宇宙的质量密度仍少了2/3.

第二个证据表明该成分一定是能量.对遥远超新星的观测显示，宇宙扩张速度并不像科学家设想的那么慢；事实上，扩张速度正在加快，宇宙的加速很难解释，除非有一股普遍的推动力持续将时空结构向外推.最近的实验表明，宇宙膨胀正在加速而不是放慢.这一结论有悖引力具有吸引力的基本概念.如果这些测量成立，就能量的物质形式存在，它的引力具有排斥性而不是吸引性.对膨胀率的详细测量有助于对提出的各种解释暗能量的理论模型加以区别.美国劳伦斯伯克力国家实验室（LBNL）超新星宇宙学项目的研究人员，利用从观测1a型超新星得到的数据直接观测宇宙的加速膨胀.要研究这种类型的超新星，必须观测大量的星系，因为每400年每个星系才只有唯一的一种类型的超新星.这个合作组使用智利天体望远镜、Keck天体望远镜和哈勃望远镜观测和收集1a型超新星的数据.

到目前为止，利用哈勃望远镜仅对25个超新星进行了深入研究.2003年1月，被称为“超新星工厂”开始利用近地星形描迹天体望远镜（GLAST）观测Haleakala和PalomarI和II，每隔4夜获得1a型超新星一个接近峰值亮度.这些观测每夜产生50千兆字节的数据，由美国国家能源研究计算中心（NERSC）的超级计算机和法国超新星观测组合作进行处理.NERSC超级计算机可产生模拟，支持其他数据收集方法.通过超新星爆发中的中等大小的星，这些方法可直接对从原始星到超新星爆发后核心的核合成进行测量.

NERSC超级计算机产生的模拟也可用于LBNL超新星宇宙学项目组领导的超新星加速探测卫星和高-Z超新星寻找组进宇宙加速膨胀的研究.

自从牛顿提出万有引力定律以来，有关引力机制问题一直未得到完全解决.实验和研究证明引力统治着整个宏观世界，自从天文学家证实有暗能量存在以后，统治宇宙的不再是仅占4%可以看得见的物质之间的引力作用，而是一种称之为“暗能量”的反引力作用.于是人们重新审视了太阳和其邻居比邻星（4.28光年）的关系，发现太阳的经典引力范围仅有0.055光年（它包括最近发现的太阳系第10号行星），即相当于现在的太阳系边缘（柯伊伯峭壁）的70倍，也就是说97.4%的范围变成了反引力的表达，它和太阳在银河系中的质量表达相一致.同一个太阳，为什么有两种方向相反的引力和反引力的表达？问题的严重性就在于太阳的物理学天空是透明的，反引力（暗能量）能藏在什么地方呢？后来，科学家在实验室里又发现了冷中子的反常表现.人们看到，不论何种分子构成的物质，等效原理总是成立，既然冷中子具有静止质量，理应遵循这条规则，然而实验却替冷中子作了“不”的回答.同一个中子，也有两种引力的表达.20世纪的引力理论显然对此无能为力.

1916年Einatein把狭义相对论进一步上升为广义相对论，建立起一种几何化的引力理论，把引力归结为物质的存在所导致的“时空弯曲”，取得很大成功.1929年Hubble通过天文观测提出了反映星系退移速度与距离关系的哈勃定律；1937年P.Dirac提出大数假说.，推测引力常数可能反比于宇宙时标，原子尺度等微观量也可能随着宇宙的膨胀而发生相应的变化.在由Brans—Dicke建立的标量——张量引力理论中，引力常数被认为是与宇宙的质量密度相关，当考虑膨胀宇宙模型时，理论上预言了引力常数随时间减小.进而有多种不同的实验，探讨引力常数的变化规律.1965年K.L.Stanjukovich从Einatein引力场方程出发并类比给出本底引力子，其能量约为10^-51焦耳，还推断哈勃常数Ho即是本底引力子频率..1975年，S.Malin把宇宙膨胀与物质静质量变化联系起来，指出随着宇宙的膨胀，静质量约按10^-10/年的比率而减少.对于宇宙的膨胀，现在大都倾向于宇宙大爆炸理论的解释，并认为引力起着减缓宇宙膨胀速度的作用.1998年发现宇宙实际上在加速膨胀，令人们感到震惊和困惑，激发了对可能支持膨胀理论的寻找.目前，对宇宙加速膨胀的一种解释是假定存在着一种“暗能量”，它和引力作用相反，推动着宇宙膨胀的越来越快.天文学家发现，在遥远的宇宙空间（约50亿光年），1α型超新星的红移值明显变大了.就是说宇宙在加速膨胀，宇宙膨胀不仅有大爆炸发生后的余力，还有一种根本不了解的反引力存在.按照20世纪的科学理论，就必须存在着一种普通的相互作用力保持着空间结构向外扩张，这就是科学界通常所称的“暗能量”.“暗能量”会是什么呢？我有位朋友持否定态度，他怀疑这些观察有失误或作秀的嫌疑，我向他提了两个问题：一是地球和月球之间，引力的大小与距离平方严格成反比，也就是说纽康系数为零；而行星之间或地日之间，还需要增加1个纽康系数，或者说有一部分引力被反引力抵消了，这是一种什么样的反引力？既然类地行星就有，地面实验室也应该有，我给他设计了一个实验：过冷中子的反引力表达在午夜（24：00）时有1个极大值，在正午（12：00）时有1个极小值，对超流体的多普勒测速也能得到相同的结论.这些实验，有条件的人都可以重复，这是实实在在的一种反引力，您能解开这个死结吗？这是过去任何一种理论都无法解析的.

1998年以来为解释宇宙加速膨胀运动，一些科学家又提出“暗能量”概念，认为暗能量作为一种巨大的斥力在推动宇宙加速膨胀.揭示宇宙中这两种“黑势力”之谜成为了当前宇宙学的最大一个热点.日前，美国范德比尔特大学的理论物理学家罗伯特·谢勒提出一个新模型，把这两个谜缩减为一个，即认为暗物质和暗能量只是单一一种未知力量的两个方面.6月30日一期《物理学评论通信》杂志上刊载了描述他的这一模型的一篇文章.他说：“思考这个问题的一个方式是：宇宙充塞着一种看不见的流体，这种流体会对常规物质施加压力，并改变宇宙扩张的方式.”谢勒认为，他的这一模型极其简单，并可避免先前试图把暗物质和暗能量统一起来的一些理论模型中的困难.谢勒在其理论模型中，把暗物质和暗能量统归为一种称为“标量场”的奇特能量形式.这种能量场有着严格的定义，而且性质复杂.在此，“场”是指一种具有能量和压力、遍及整个空间物理量.宇宙学家最先是用标量场来解释宇宙大爆炸之后的暴涨过程.根据暴涨理论，宇宙在大爆炸后即经历了一个持续时间不到一秒但暴涨了几万万亿倍的急剧膨胀过程.谢勒在其模型中引入了一个第二代标量场，称为“K-本质”.“K-本质”这一概念是由普林斯顿大学的理论物理学家保罗·斯泰恩哈德等人为解释暗能量而提出来的，但谢勒是第一个指出一种简单的“K-本质”标量场也可以用来解释暗物质的人.科学家们之所以提出“暗物质”和“暗能量”两个不同概念，原因是它们的表现不同.暗物质好像有质量并会形成巨大的团块，宇宙学家事实上计算出这些暗物质团块的引力作用在使常规物质形成星系的过程中起了关键作用.而暗能量相反地似乎是没有质量的，并均匀分布在整个宇宙空间，其作用与引力相反，是一种斥力，把宇宙推散开来.“K-本质”标量场能随时间而改变其行为.谢勒在研究一种非常简单的“K-本质”标量场——其中潜在的能量是固定的——时，发现这种标量场在其演化的某一个阶段时会发生团聚，导致看不见的暗物质粒子的效果，而随后在另一个阶段则会均匀分布在整个空间，具有暗能量一样的性质.谢勒说：“这个模型在一段时间很自然地演化成一种像是暗物质的状态，然后又进到像是暗能量的状态.当我认识到这一点时，我想，‘这看来很有启发意义，值得好好研究一下.’”于是，谢勒更详尽地检查了这个模型，发现它不会产生先前那些试图把暗物质和暗能量统一起来考虑的理论模型的困难.

1915年，爱因斯坦发表他的广义相对论.1917年，他将广义相对论公式应用到整个宇宙，指出宇宙正在膨胀.那时，科学家们相信宇宙是静止不变的，宇宙膨胀的理论似乎是荒谬的.面对着不符合“常识”的公式，爱因斯坦觉得唯一的选择就是引进一个附加因素，以使他的理论导出一个静止不变的宇宙.而到20世纪20年代晚期，天文学家发现宇宙的确在膨胀，因此爱因斯坦的附加因素是不必要的.一位名叫艾伦·古思的美国年轻理论家1981年发表了一篇革命性的文章，认为“大一统理论”说明一种极为强大的宇宙力可能在大爆炸中出现，导致宇宙不可思议地快速膨胀.尽管古思的观点某些细节还有缺陷，但其他理论家抓住了“宇宙膨胀”这一基本观点，这主要是由于它从技术角度解决了大爆炸的一些难题.现在天文学家必须解释为什么曾经普遍的宇宙常数在大爆炸发生几个月之后就完全结束了.在20世纪80年代，霍金等人试图找出能够解释宇宙常数为何消失的论据，但没有一个人令人信服.美国获得诺贝尔奖的物理学家温伯格因此声称，宇宙常数是物理学上一个名副其实的危机.10年后的1998年，这个危机被天文学家证明，宇宙常量在大爆炸后根本没有结束，而是似乎继续在宇宙中起作用.并从重力手中夺得了控制权，以前所未有的速度推动宇宙膨胀.这种力量很快被称为“暗能量”.

最早描述暗能量的理论模型是修改广义相对论，引入“宇宙常数”这个量.“宇宙常数”是爱因斯坦建立静态宇宙模型时提出的一个概念，为的是和引力作用平衡，防止这样的宇宙模型在引力作用下收缩成一个点.但是，在天文学家观察到宇宙在膨胀后，爱因斯坦放弃了这个概念，因为他觉得这个概念已经不必要了.现在一些解释暗能量的理论模型重新引入“宇宙常数”概念，可以在很大程度上说明暗能量所导致的效应，但是这并不能解释暗物质.一种试图把暗物质和暗能量统一起来的努力是恰普雷金气体模型，这种理论模型以一位俄罗斯科学家上世纪30年代的工作为基础，能够先形成类似暗物质的状态随后形成类似暗能量的状态，但它不能说明星系的形成过程.今年初，哈佛大学的尼玛·哈卡尼-海默等人也提出了一种把暗物质和暗能量统一起来的模型，他们认为暗物质和暗能量是由一种看不见的、无所不在的流体的不同行为导致的，他们把这种流体称为“幽灵冷凝物”.这个模型和谢勒的模型有类似之处.谢勒本人承认，尽管他的模型有许多积极特征，它还是有一些缺陷.例如，它需要特别细微的“微调”才能使模型工作.谢勒本人还警告说：还需要进行更多的研究来判断该模型的表现是否和其他观察材料相一致.另外，这个模型也不能回答这样一个“巧合”问题：为什么我们生存在一个计算所得的暗物质和暗能量的密度大体相当的时期？许多科学家怀疑这是否意味着目前的时期有什么特殊之处.1970年Isaak做的转动圆盘上的穆斯堡尔效应实验给出的以太风速上限只有0.05m/s，如何解释？其实，穆斯堡尔效应实验能证明的仅仅是：以太风昼夜变化的差不大于0.05m/s.

2004年美国空间望远镜科学研究所以里斯为首的小组宣称，他们测量了哈勃空间望远镜新发现的红移值达到1.6的16个Ia型超新星，发现宇宙明显地是在40～60亿年前之间开始加速膨胀的.他们认为，这是当空间中物质密度因宇宙膨胀稀薄到一定程度时，暗能量的斥力胜过物质间的引力吸引所致.暗能量究竟是什么？一种意见认为，暗能量就是爱因斯坦在用广义相对论说明宇宙时，为使宇宙模型维持静止状态而引进的宇宙常数所标志的暗能量.其主要特征是能量密度在宇宙历史的所有时期保持不变，是一个恒量；另一种意见认为，是充斥在空间中的第五要素，这种形式的暗能量不是恒定不变的，因时间和空间而异.若是前者，宇宙膨胀一直以相对平稳的方式进行，恒星、星系和星系团也一直保持在一起；若暗能量是后者，则有可能使宇宙膨胀得越来越快，以至于使恒星、行星，甚至于原子产生破裂状态.近几年来，由于微波背景辐射的细致观测，也导致了以下一些惊人的结果：a)宇宙年龄是137±2亿年；b)哈勃常数是0.71±公里/秒/Mpc;c)宇宙呈现以下结构，宇宙总质量(100%)≌重子+轻子(4.4%)+热暗物质(≤2%)+冷暗物质(≈20%)+暗能量(73%)，而总密度Ω0=1.02±0.02，亦即恰好差不多等同于平直空间所要求的临界密度.由此可以推断出，我们的宇宙经历了一个先减速后加速的膨胀过程，原因就是暗能量的负引力作用和物质的引力作用综合决定宇宙的膨胀速率.

通常物质(包括暗物质)的特点是：如果状态方程由P=Wρn所表示，(其中P是压力，ρ是密度，W是某一常数，n是某一数值)，那么对普通物质恒有W≥0，而暗能量的状态方程却是W=-1.W=-1，意味着压力P是负值，而在通常的状态方程中，压力P是正值.过去，物质的密度越大，压力P越大，而现在压力P却“负”得越大！即我们宇宙中必定存在的一种新物质形式——暗能量，与普通物质显著不同的是：具有“负引力”，而物质具有引力.暗能量大约是宇宙总成分的70％.在任何一个给定的空间里，暗能量的负引力作用很小.在日常生活之中不会被感觉出来，但在广漠的宇宙空间中，其作用非常强大，足以使星系和星系团分开.关于它的深入了解，将对我们了解时间、空间、物质和能量，具有关键作用.

天文学家认为，如果50亿光年以远的深处的1型超新星的光度可以作为有效的标准烛光，宇宙中就还应该存在一种与引力作用相反的斥力，表现为与引力相反的能量——暗能量.美国著名的物理学家、诺贝尔奖金获得者史蒂文.温伯格认为，宇宙常量（即暗能量）是物理学上一个名副其实的危机.天文学家按已有的知识和认识将宇宙物质的类别和分额的落阔勾画如下：物质占35%，其中5%是发光和不发光的已知天体，30%是暗物质；暗能量占65%.李政道(T.D.Lee)把这个问题列为21世纪当代科技所面临的四大问题之一，暗物质与暗能量的发现列为2003年十大科技发现的第一位.