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撰文 | 亞當·里斯（Adam Riess）

撰文 | 馬里奧·利維奧（Mario Livio）

翻譯 | 龐瑋

宇宙每分每秒都在擴大，星系相互遠離，星系團之間也漸行漸遠，就連空無一物的星際空間都越來越浩渺，自20世紀20年代埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）等人發現宇宙膨脹之后，這些知識已廣為人知。但在近些年，天文學家發現上述過程正在加速，宇宙膨脹的步伐不斷加快，星系相對彼此退行的速度也在變得越來越快。

這個令人震驚的事實，就是本文作者之一里斯和澳大利亞國立大學的布賴恩·施密特（Brian Schmidt）共同領導的小組，在1998年通過測量遙遠的超新星爆發而發現的。同年，加利福尼亞大學伯克利分校的索爾·佩爾穆特（Saul Perlmutter）帶領的小組利用類似方法得到了相同的結果。結論顯而易見：一定有什么在推動宇宙加速膨脹，但究竟是什么呢？

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亞當·里斯

這種東西能產生斥力，因為很明顯它正在將宇宙向外推擠，我們給它起了一個名字——暗能量（Dark Energy）。在對其進行了將近20年的研究之后，暗能量的物理本質仍然和最初一樣難以捉摸。而一些最新觀測與目前所有的流行理論都難以吻合，讓問題變得更加復雜。

眼前，我們有幾個問題迫切地需要解答：什么是暗能量？暗能量的本質對宇宙的未來有何影響？最后，暗能量的奇怪性質是否暗示著我們宇宙的屬性是隨機獲得的，這個宇宙實際上是多重宇宙的一部分，而這個多重宇宙還包含很多其他宇宙，每個都有不同的性質和不同強度的暗能量？

對暗能量本質的全力探尋已經開始，如果幾個新天文觀測項目進展順利的話，前景一片光明，我們希望在下個10年內可以開始回答上述問題，從而更為深入地理解宇宙加速膨脹的本質，當然也可能無奈地將某些懸而未決的問題繼續束之高閣。

科學家提出了諸多假說，來解釋宇宙的加速膨脹。其中，頭號候選理論認為加速膨脹的驅動力源自宇宙空間本身的屬性。量子力學認為真空并非“空無一物”，而是充斥著大量“虛”的粒子和反粒子對，它們同時產生，剎那之間又相互湮滅。盡管聽上去很奇怪，但這些僅能存在一瞬間的粒子對攜帶著能量，而能量與質量一樣，能產生引力。不過與質量不同的是，能量不僅能夠產生吸引的引力，還能夠產生推斥的引力，這取決于其壓強是正還是負。按照量子理論，真空中的能量應該具有負壓強，因此有可能就是它們產生了導致宇宙加速膨脹的推斥引力。

這個理論等價于“宇宙學常數”，即愛因斯坦在其廣義相對論方程中加入的一個常數項，用來表示空間本身具有的均勻能量密度。如其名稱“宇宙學常數”所示，這個假說認為暗能量密度也是一個常數，不隨時間和空間變化。目前天體物理的觀測證據與這種宇宙常數假設比較相符，當然也并非完全一致。

除此之外，暗能量也可能是一種被稱為“精質”（quintessence）的能量場，彌漫在整個宇宙之中，占據空間的每一點，可以抵消引力的吸引作用。物理學家對場并不陌生——無處不在的電磁力和引力就通過場來發揮作用（盡管它們通常來自一個局域的場源，而非充斥整個空間）。

如果暗能量是一個場，它就不太可能是一個常數，而且也可能會隨著時間變化。如此一來，過去的暗能量可能比現在更強或是更弱，對宇宙的影響也因時而異。同樣地，它的強度和對宇宙演化的影響也可能在未來發生變化。在這個理論一個名為漸凍場的版本中，暗能量的變化隨著時間推移會越來越慢，與之相對的解凍版本則認為暗能量場的變化會越來越快。

第三種解釋宇宙加速膨脹的理論認為，根本沒有什么暗能量，宇宙的加速膨脹源于愛因斯坦的引力理論（廣義相對論）無法解釋的物理現象。愛因斯坦的理論是不完備的，有可能在極大的尺度下，比如星系團或者整個可觀測宇宙的跨度下，引力定律會偏離目前的理論預測，帶來異常的引力效應。

物理學家已經沿著這個方向開展了一些十分有趣的理論探索，但是還未能找到一個與目前所有觀測相吻合的自洽理論，因此目前看來暗能量假設仍然占據上風。

暗能量的性質將決定宇宙的最終命運。如果暗能量真的是真空能（或者說是宇宙學常數），那加速將永遠持續下去，大約在1萬億年之后除了離銀河系最近的那些星系（即本星系群，到那時會合并成一個大型的橢圓星系）之外，其他所有星系都會以光速遠離我們，再也無法觀測到。就算是來自宇宙大爆炸的遠古晨曦——宇宙微波背景輻射（CMB），到那時波長也會被拉扯到與整個可觀測宇宙的尺度相當，因此難以察覺。在這樣的圖景中，我們恰好生活在一個非常幸運的時間段，擁有觀察周圍宇宙的最佳時機。

另一方面，如果暗能量不是真空能而是某種未知的場所攜帶的能量，宇宙的結局則更為開放。這個場有多種不同的可能演化方式，分別對應著不同的宇宙命運。宇宙可能會最終停止膨脹，反而開始收縮，最終在“大擠壓”中將肇始萬物的大爆炸重演一遍。宇宙還可能進入“大撕裂”狀態，上至星系團下到原子和原子核，宇宙中的一切復雜結構都屈從于強大的暗能量而被撕扯得四分五裂。當然，上面提到的持續加速進入冷寂也是暗能量場的可能結局之一。

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如果最終我們發現，廣大相對論不夠準確，自己需要的是一個替代性引力理論，那根據理論細節的不同，宇宙的結局也會千變萬化。

盡管宇宙學常數假設最受青睞，但其極弱的強度仍是需要面對的問題。美國得克薩斯大學奧斯汀分校的物理學家史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）早在加速膨脹被發現之前就意識到宇宙學常數存在這個問題，他提出了一個新的思路，即宇宙學常數并非是由基本物理定律決定的獨一無二的量，而是一個隨機變量，在一個巨大的宇宙系統——多重宇宙中，每個宇宙都具有不同的宇宙常數。一些宇宙可能具有更大的宇宙常數，但是相應地就會有更大的加速斥力，導致物質在這樣的宇宙中無法凝聚形成星系、行星和生命。

由此溫伯格推斷，因為我們存在，因此我們必然會發現自己身處一個得以允許生命出現的宇宙，也就是一個宇宙學常數碰巧非常微小的宇宙。這個想法后來得到了塔夫斯大學的亞歷山大·維連金（Alexander Vilenkin）、劍橋大學的馬丁·里斯（Martin Rees）和本文作者之一利維奧的進一步改進，被稱為人擇推理（anthropic reasoning）。

即便不考慮暗能量問題，也有合適的理由得出多重宇宙理論。被廣泛接受的宇宙暴脹理論認為，宇宙在誕生后第一秒之內曾急劇膨脹，維連金和斯坦福大學的安德烈·林德（Andrei Linde）證明，這種暴脹一旦開始，就必定會一次又一次地重復發生，從而產生數量無限的宇宙泡泡，或者稱為“口袋宇宙”，這些宇宙相互之間完全隔離，性質可能差異很大。

從弦論出發，似乎也能得出多重宇宙。作為可以統一所有自然力的候選理論之一，弦論有不同版本，拉斐爾·布索（Raphael Bousso）和約瑟夫·波爾金斯基（Joseph Polchinski）基于其中一個名為M理論的版本進行的計算指出，應該有多達10⁵⁰⁰種不同的時空或者說宇宙，每個都具有不同的基本常數，甚至不同數量的空間維度。

但有些物理學家一提多宇宙就血壓上升，因為這個想法看上去既無法接受又難以檢驗，而且有可能標志著我們熟知的經典科學方法的終結。傳統上，經典科學方法要求假說必須能被新的實驗或觀測直接檢驗。不過，多重宇宙概念的確做出了一些可供檢驗的預測，特別是某些多重宇宙模型預測時空的形狀會有輕微的彎曲，這也許能被觀測到。還有一種可能，盡管希望不大，宇宙微波背景輻射中也許會記錄下我們的宇宙和另一個宇宙碰撞時產生的漣漪。

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因為空間中的暗能量比宇宙中任何其他成分的密度都要大，它對宇宙有著決定性影響，操控者宇宙的命運。盡管如此，但暗能量并非總是占據上風，宇宙的其他成分：輻射（光）和物質（包括常規物質以及看不見的暗物質）在宇宙還比較小的早期階段也都曾占據過統治位置，當時它們密度比現在更大。隨著宇宙不斷膨脹，物質和輻射逐漸分散，暗能量后來居上，如果暗能量密度繼續增加，它會越來越強大最終撕裂空間中的一切結構。

根據目前我們的認識，揭示暗能量本質的最佳途徑是測量它的壓強和密度之比，我們稱這個比值為狀態方程參數，用w來表示。如果暗能量是真空能（即宇宙學常數），那么w將是一個等于-1的常數。如果暗能量來自某個隨時間變化的場，我們探測到w的數值就應該偏離-1，而且隨著宇宙演化不斷變動。如果觀測到的加速膨脹表明，愛因斯坦的引力理論在極大的尺度下需要修正，我們應該能觀察到w在不同尺度下有著不同的數值。

天文學家已經設想出一些非常巧妙的間接方法，用來測量暗能量的壓強和密度。作為一種具有排斥作用的引力，暗能量或修正后的引力會抵消常規引力的吸引作用（后者將宇宙中的物質聚集到一起），從而阻礙諸如星系團這類大尺度結構的形成。因此，通過研究星系團隨時間的變化，科學家能測量不同歷史時期的暗能量強度。星系團會使背景星系的光線發生偏折，產生所謂引力透鏡現象，通過觀測光線偏折程度的大小，我們可以推測出星系團的質量，而通過觀測不同距離處星系團的引力透鏡效應，我們就能測量出宇宙不同時期大質量星系團的分布（因為光速有限，天文觀測就相當于在回溯時間，距離越遠時間越早）。

我們還可以通過測量宇宙膨脹速度的變化來測量暗能量。通過觀測不同距離處的天體并測量其紅移（光的波長隨空間膨脹而增大的程度），就可以知道自光從該天體出發以來宇宙膨脹了多少。實際上發現宇宙加速膨脹的兩個小組用的正是這個方法，他們測量的是不同的Ia超新星的紅移（這類超新星的亮度與其距離保持著非常嚴格的關系）。該技術還有一個“變種”，通過測量重子聲學振蕩來追蹤宇宙的膨脹歷史，重子聲學振蕩是空間中星系密度的波動幅度，是另一個良好的距離指示物。

到目前為止，大多數測量得出的w都與-1相符，觀測誤差不超過10％，因此是支持宇宙學常數的。一個由里斯帶領的團隊使用哈勃空間望遠鏡，利用超新星方法探測了100億年之前的暗能量，沒有發現暗能量會隨時間變化的跡象。

盡管如此，過去幾年間一些偏離了宇宙學常數預測的線索仍值得注意。例如，結合普朗克衛星對宇宙微波背景輻射（它能告訴我們宇宙總的質量和能量）的測量和引力透鏡研究的結果來看，w的值似乎比-1更小。第一臺全景巡天望遠鏡和快速反應系統（Pan-STARRS）觀測了超過300個超新星，來追蹤宇宙膨脹，其結果似乎也表明w要小于-1。而針對名為類星體（quasar）的遙遠亮星系的重子聲學振蕩測量顯示，暗能量的密度可能是隨時間增加的。最后，通過局域測量得到的當前宇宙膨脹速度和根據CMB得出的原初膨脹速度存在微小的矛盾，可能也表明真實的暗能量不符合宇宙學常數的預測。不過雖然這些結果引人遐思，但都還不夠令人信服，未來更多的觀測數據可能會令這些差異變得更有說服力，也有可能證明它們只是系統誤差而已。

眼下科學家正在努力工作，有望在未來十年內將暗能量的測量精度提高100倍。暗能量巡天（Dark Energy Survey，DES）項目已經在2013年啟動，大型綜合巡天望遠鏡（Large Synoptic Survey Telescope ，LSST）預計將于2021年投入運行，這些新項目將搜集更多有關宇宙中大尺度結構和宇宙膨脹歷史的信息。美國航空航天局（NASA）的廣視場紅外巡天望遠鏡及天體物理專用設備（WFIRST-AFTA）預計于21世紀20年代中期發射，作為一臺2.4米口徑的空間望遠鏡，它有望觀測到遙遠的超新星和重子聲學振蕩，以及引力透鏡現象。歐洲空間局 （ESA） 的歐幾里得空間計劃 （Euclid space mission）也準備在2020年發射，目標同樣包括引力透鏡和重子聲學振蕩，同時它還將通過紅移測量星系距離，以確定宇宙中星系團的三維分布。

最后，我們還可以通過太陽系內的實驗來檢驗那些引力修正理論。方法之一是以極高的精度測量地月距離（利用阿波羅計劃放置在月球表面的反射鏡來反射從地球發射的激光束），從中探測與廣義相對論預言的微小差異。此外，還有一些別出心裁的室內實驗也將尋找現有引力理論中的細微矛盾。

未來幾年是研究暗能量的關鍵時刻。我們有望在宇宙加速膨脹問題上獲得真正的進展，而謎底將揭示宇宙的未來。

本文轉載于《環球科學》2016年4月刊

本文作者：

亞當·里斯是約翰·霍普金斯大學和空間望遠鏡科學實驗室的天體物理學家。他對遙遠超新星的研究揭示出宇宙正在加速膨脹，這個發現令他贏得了2011年的諾貝爾物理學獎。

馬里奧·利維奧，天體物理學家、科學暢銷書作者，在負責運行管理哈勃望遠鏡的空間望遠鏡科學實驗室工作多年。