暗能量：占超三分之二宇宙成分的暗物质仍神秘不可测

1、暗能量:占超2/3宇宙成分的暗物质仍神秘不可测2013-12-13 08:22来源：科技讯  【科技讯】12月12日消息，据外国媒体报道，自打发现有一种神秘的东西在把宇宙扯开，这15年来我们一直在绞尽脑汁。但我们仍然不知道它是什么。它无处不在，却又无法被看见。它在宇宙成分中占据了超过三分之二，但我们不知道它从何而来，又由什么构成。美国加州理工学院的理论物理学家肖恩·卡罗尔(说：“大自然还没有准备好向我们透露任何有关的线索。”不过，至少我们为这种最神秘的东西起了个名字：暗能量。现在，对它的追捕正在进行。2013年年底，天文学家将启动一项新的巡天，在爆炸的恒星和古老的星系团之间

2、寻找这些东西的迹象。一系列的空间任务和地面上的巨型望远镜很快也会加入其中。同时，一些物理学家正在探求一个非正统的想法：在实验室里诱捕暗能量。迄今为止，我们对暗能量仍知之甚少，所知的或许只限于3点。第一，暗能量是向外推的。1998年，我们首次留意到了这一点，因为我们发现某一类超新星爆炸的亮度暗得出乎意料，说明它们的距离远过我们的预期。空间似乎从某个时刻起开始了加速膨胀，就好像有一种斥力抵御着物质间的引力在向外推动一样。第二，暗能量大量存在。星系的运动和成团能告诉我们宇宙中有多少物质，而大爆炸后38万年时发出的宇宙微波背景辐射，则向我们透露了宇宙中物质和能量的总密度。这第二个数字要比第一个大得多。

3、根据最新的观测数据，包括欧洲空间局普朗克卫星的微波观测，宇宙中大约68%的成分是以非物质的、表现为斥力的能量形式出现的。在每立方千米的空间中大约有1焦耳。第三，暗能量让物理学家富于创造力的思维充满了活力。他们已经提出了数百种不同且充满想象力的理论。其中最平淡的，当属宇宙学常数，不过即便如此，它仍属于“狂野之物”。它是空间固有的能量密度，在爱因斯坦的广义相对论下会产生斥力。随着空间膨胀，它会越来越多，使得它的排斥力超过因物质日益分散而逐渐变弱的引力。粒子物理学甚至为它提供了一个起源：在充满了不确定性的量子真空中不断出现和消失的虚粒子。但问题是，这些粒子的能量太多了根据最简单的计算，每立方千米含有

4、的能量约为10120焦耳。这一灾难性的差异，为琳琅满目的其他替代理论留下了生存空间。比如说，暗能量有可能是“第五元素”，一种假想的能量，能渗透进空间，随时间改变，甚至能在不同的地方聚集。它也可能是一种经过修改的引力，在远距离上表现为斥力。又或者，它是地球在宇宙中所处的特殊位置造成的错觉。暗能量还可能是波长比可观测宇宙大万亿倍的无线电波，甚至有可能是更奇特的东西。“许多聪明人都试图构想出比宇宙学常数更好的东西，或者去理解为什么宇宙学常数具有如此的数值，”卡罗尔说，“大致说来，他们都失败了。”黑暗降临观测暗能量是否会随时间变化，是做出裁决的一种方式。如果它确实随时间演化，宇宙学常数就可以排除了：作

5、为空间的固有特性，它的密度应该保持不变才对。与之相反，在大多数“第五元素”模型中，随着空间的膨胀，暗能量会慢慢地稀释不过在一些模型中，它实际上会增强，加速宇宙的膨胀。在大多数修改引力的理论中，暗能量的密度也会变化。它甚至可以先上升后下降，或者反过来。宇宙的命运完全取决于这一平衡。如果暗能量保持稳定，宇宙就会加速膨胀，把我们变成一个孤立小岛，跟宇宙的其他部分隔绝开来。如果暗能量会增强，最终可能就会把所有物质全部“撕碎”，甚至连空间结构都变得不再稳定。根据对超新星的观测，我们今天最佳的估计是，暗能量的密度相当稳定。有一种观点认为，暗能量正在缓慢增强，但不确定性太大，目前我们还不必担心这一增长。从2

6、013年9月起，一个名为“暗能量巡天”的国际项目将开始收集数据，旨在进一步了解暗能量。位于智利托洛洛山美洲天文台口径4米的维克托·布兰科望远镜，以及一个专门设计的红外照相机，将在广大的天区中寻找暗能量的若干迹象。该项目主管、美国芝加哥大学的乔舒亚·弗里曼说：“虽然不是世界上最大的望远镜，但它的视场非常大。”第一步，这台望远镜将捕获更多的超新星。每一场恒星爆炸的视亮度(就是在我们看来它有多亮)，都能告诉我们它们发生在多久之前。这些光向我们传播的过程中，波长会因空间的膨胀而被拉长，也就是红移。把这两样东西结合起来，我们就能测出宇宙如何随时间膨胀。这项巡天还将绘制一幅复杂的天图，

7、会标出几亿个星系的位置以及它们到我们的距离。在宇宙的婴儿时期曾经在宇宙中回荡的声波，给巨大的超星系团赋予了一个特征尺度。通过测量超星系团的视大小(就是在我们看来它有多大)，我们可以从一个新的视角来回顾宇宙膨胀的历史。放眼天空这份天图还将揭示暗能量对较小尺度的影响。暗能量会阻碍星系聚集形成星系团。巡天项目组将直接对星系团进行计数，还会借助引力透镜效应追踪它们的成长。引力透镜是星系团弯曲更遥远的天体发出的光线时出现的一种现象。这些不同的测量，应该能给我们提供一些线索，透露暗能量是否会随时间而变如果确实会变的话。弗里曼说，他们的巡天可以把现有结果的误差范围减小到1/4。到2016年，巡天的初步分析结

8、果公布时，他们就能开始甄别一些不同的理论模型了。一个完整的暗能量猎手团队，将在几年之后组建完毕。由美国主导的大口径全天巡视望远镜将在2021年睁开它的巨眼。其他巨型望远镜，比如位于夏威夷的30米望远镜，以及同在智利的欧洲特大望远镜和巨麦哲伦望远镜，都将在大约同一时间投入使用。在澳大利亚和南非兴建的巨型射电接收器平方千米阵也会加入它们的行列。通过观测氢云的射电辐射，平方千米阵可以追踪宇宙的结构。到2020年，欧洲空间局和美国宇航局计划发射一颗名为“欧几里德”的暗能量探测卫星，能够观测宇宙更早时期的引力透镜和星系成团。美国的大视场红外巡天望远镜或许会紧随其后。这场穿越空间的暗能量围猎将会惊心动魄，

9、但猎物仍有可能会逃之夭夭。比方说，我们也许会发现，暗能量的密度随着时间的推移几乎保持恒定。这看起来似乎支持了宇宙学常数，但它并不能排除一部分“第五元素”的理论，因为那些理论中的“第五元素”恰好具有几乎恒定的密度。况且，就算我们发现暗能量密度确实在增长或者降低，我们可能也无法分辨，这种变化到底是由于“第五元素”，还是出自某种随时间变化的引力。于是，一些物理学家提出，在地球上设置“陷阱”来诱捕暗能量。英国诺丁汉大学的克莱尔·伯雷奇说：“如果你引入一种新的场或者粒子，来充当你的暗能量，那么它们也将成为载体，传递一种新的作用力。”类似“第五元素”的东西，会产生有别于引力、电磁力、弱核力和强核

10、力的第5种基本作用力。“但是，我们在太阳系里没有看到第5种力，”伯雷奇说。理论学家摆脱这一症结的通常做法是，添加一个屏蔽机制，削弱密度相对较高的环境中(比如太阳附近)第五种力的强度。一个被称为“GammeV”的项目已经在美国费米实验室就位，已经开始搜寻一种被屏蔽的特殊暗能量，也就是所谓的“变色龙”。到目前为止，GammeV仍然一无所获，不过现在，伯雷奇打算搜寻更大范围内的暗能量，灵敏度也要更高。她和英国诺丁汉大学的同事埃德蒙·科普兰及英国伦敦帝国学院的埃德·海因兹合作，想利用处于玻色-爱因斯坦凝聚态的低温原子团来暴露暗能量的踪迹。这种低温原子团会像一个整体那样，在量子波动中

11、振荡。暗能量应该会略微降低这种振荡的频率。这个研究团队计划把一团凝聚物一分为二，在其中之一附近放置一个高密度物体。如果物体屏蔽了暗能量，两个“半团”凝聚物中的波就会脱离同步，再把它们重新放在一起时，两者就会发生干涉。电效应在美国西雅图的华盛顿大学，E t-Wash扭摆实验正在探测其他形式的宇宙斥力。有一种理论认为，尺度不到1毫米的空间额外维度可能为暗能量提供了容身之处。在这么小的尺度上，它或许还能够增大引力的强度。一种被称为“对称子”的被屏蔽的“第五元素”，会在类似的小尺度上产生一个额外的作用力如此微妙的效应，应该可以在E t-Wash扭摆细微的扭动中显现出来。与此同时，美国普林斯顿大学的迈克尔·罗马利斯和美国达特茅斯学院的罗伯特·考德威尔在2013年提出，如果普通光子或电子能够感受到哪怕极其微弱的“第五元素”，那么地球上的磁场就应该会产生一个微小的静电电荷。这种有可能很容易探测，当然任何专门为此设计的设备都必须非常精密才行。卡罗尔指出，我们还有可能会在太空中看到另一种电磁效应。如果光子与暗能量相互作用，当它们在宇宙中穿行时，光子的偏振就会发生旋转。他说，如果普朗克团队在几年后宣布测量到宇宙微波背景辐射光子的偏振，“可以想象他们会宣布，他们已经探测到了第五元素”。接下来，我们或许会坐立不安地再等上十几年，等那些望