暗能量之謎

易照華

現代天文學的三朵烏云：暗物質、暗能量、“先鋒號”反常，是當前天文學最前沿的研究領域，而暗能量是其中最為神秘的。對于暗物質，雖然現在還不清楚它的實質，但可以從它的引力效應表明其存在，并且還能估計出它的數量約為可觀測(用各種波段)物質的6倍。而暗能量更模糊，不僅沒有引力效應，可能還有相反作用。

要說明暗能量情況，必須先從愛因斯坦提出廣義相對論談起。他在1915年11月發表的論文中，描述了物質和時空(包括時間和空間)的關系，是用一個重要的方程式表達，就是著名的愛因斯坦方程。用此方程預言；在一個物質分布大致均勻的宇宙中，空間不可能是靜止，不是膨脹就是在收縮。而當時的天文學觀測水平，還沒有發現遙遠星系的運動，看起來宇宙好像是靜止的，這就使愛因斯坦感到困惑。為了能說明宇宙是靜止的，他沒有宣布根據場方程所得宇宙不是膨脹就是收縮的預言，而是大膽地在場方程中增加一項，其系數是常數。它代表宇宙中單位體積包含能量的總和，后來此常數得到公認，就命名為“宇宙常數”或“宇宙學常數”。他在1917年的論文中說明，此常數有一個特定的非零數值，可使宇宙保持靜止。

但是到1922年，一位俄羅斯數學家弗里德曼證明，愛因斯坦提出的這種靜止宇宙是不穩定的，一點輕微的干擾或波動就會被破壞，使宇宙膨脹或收縮。愛因斯坦先發表申明，認為弗里德曼錯了。不久又正式發表文章，收回這個申明，公開宣布弗里德其實是正確的。

對靜止宇宙看法的致命打擊是在1929年。美國天文學家哈勃用當時世界上最大望遠鏡多年觀測的資料，發現遙遠星系都在離開我們向外運動，而且運動速度與星系的距離成正比。用公式表達為：v=HD

其中v代表向外運動速度，H為常數，D就是星系同我們的距離。此公式得到公認后，就命名為“哈勃定律”，H就命名為“哈勃常數”。這個定律成為膨脹宇宙的觀測證據。愛因斯坦得知后，曾對熟悉的科學家說，他自己引入非零宇宙常數是‘最大錯誤，并多次建議取消宇宙常數。但當時不少著名科學家認為不能取消，也許非零宇宙常數有另外的物理意義。果然在70年后(1998年)，這個非零宇宙常數，同暗能量掛上鉤。

在這70年間，天文學有迅猛的發展。人們還建立了接收天體無線電波輻射來研究天體的“射電天文學”；開創了將天文儀器放到人造衛星上觀測研究天體的“空間天文學”等；發現了大量的不同距離的遙遠星系和由很多星系組成的集團；又發現很多比一般星系更遙遠的天體——‘類星體，我們能觀測到的距離達140億光年。

現在大多數科學家都支持宇宙起源于大爆炸，在不斷膨脹和冷卻過程中逐步形成基本粒子、化學元素、化學分子、星系、恒星、行星等。首先要考慮的重要問題是宇宙大范圍空間是平坦或是彎曲的?因為按照愛因斯坦的廣義相對論，密度較大物體的引力使得附近空間彎曲；但這僅是局部情況，對大范圍宇宙空間而言，密度很低，引力彎曲效應可能微不足道。故大范圍宇宙空間仍可能平坦，與常人直觀感覺一樣。這種結論最好有較明確的證據。描述彎曲程度的量是曲率；曲率為正是正向彎曲(像橢圓)；為零是平坦，為負是負向彎曲(像雙曲線)。1979年，在美國工作的物理學家古思根據直線加速器的實驗，提出宇宙大爆炸初期有暴脹期，在極短時間內(不到萬億分之一秒)暴脹1050倍。這個結果經幾位科學家做少量補充修正后。逐步得到大家承認。暴脹理論可以說明宇宙是平坦的，曲率為零。

根據愛因斯坦的廣義相對論，曲率為零的膨脹宇宙平均密度有確定的數值，稱為臨界密度。可是由已知宇宙全部物質得到的平均密度，比臨界密度小得多：加上所估計的暗物質眉，得到的密度還不到臨界密度的1/4。到1990年以后。一些科學家重新提出，若宇宙常數不等于零，它就是單位體積包含的能量大小，可稱為能量密度。按照愛因斯坦的著名公式：

E=mc²

其中E代表能量，m代表質量，C為光的速度，即每秒30萬千米。也就是說，質量為1克的物質，對應于9萬億億爾格的能量，則這部分能量所對應的質量也可以為宇宙平均密度作出貢獻。由于這部分不是由已知物質或暗物質提供的，因此稱為暗能量。它的大小能否由觀測資料算出來呢?

設臨界密度為D，由已知物質和暗物質提供的宇宙平均密度為A，由暗能量提供的平均密度為B。再設a=A/D，b=B/D。根據現在所知的物質和暗物質資料，可算出a=0.25，問題是怎樣算出b值。

暗能量起什么作用呢?宇宙在不斷膨脹，由于宇宙內物質(包括暗物質)的相互引力作用，應該阻礙膨脹，故宇宙的膨脹速度應逐漸減小。哈勃在1929年提出哈勃定律時，因星系資料不多，得到的宇宙膨脹速度接近常數。如果用70多年來積累的更多更精確的觀測資料，證明宇宙膨脹速度真的在不斷減少，暗能量作用就不明顯。假如情況相反，觀測資料證明宇宙在加速膨脹，則暗能量就起了與引力相反的作用，加速宇宙膨脹。

要證明這點，需要得到更多遙遠天體的準確距離。20世紀90年代初，很多人注意到超新星。這是由原來看不見暗弱恒星突然增亮到看見，好像新出現的星，故中國古代人取名為新星：如果亮度增加超過一千萬倍，現在就稱為超新星。當時在美國成立了兩個超新星研究組，一個在哈佛大學，另一個在加州大學伯克立分校。他們互相競爭和監督，同時研究一種特殊類型超新星，它們是由高密度的白矮星(表面溫度高，但體積很小的恒星)質量超過臨界值時爆炸而成，最亮時的絕對亮度幾乎一樣。同用觀測得到的視亮度比較，就可以算出超新星的距離。兩個組獨立地用人造衛星上望遠鏡的精確觀測資料，發現了幾十顆這種類型的超新星，分布在各個遙遠的星系或其他天體中。算出距離后發現，這種超新星的距離比用哈勃定律算出的更遠。這說明宇宙在加速膨脹!而且他們還根據膨脹速度的變化，估算出a，b的差值為b-a=0.46。即b=0.46+0.25=0.71。

1998年2月，兩個研究組同時公布彼此獨立研究的結果，引起轟動。當然這些數值存在一定誤差，其中a+b=0.96。同1的差別也在誤差范圍之內。這說明已知物質、暗物質與暗能量提供的宇宙平均密度，同平坦宇宙的臨界密度相等。以后幾年用其他的觀測資料算出的a+b=1.02，與1更接近。這表明，宇宙是平坦的，暗能量是存在的，而且是加速宇宙膨脹的主要因素。

以上結果還不能算最后結論，需要用更多更精確的觀測來證實。即使暗能量真的存在，也還有下面的問題需要解決：

首先要弄清楚暗能量的實質，它既然不是觀測到的物質或暗物質，究竟是什么玩意兒?是一種什么樣的能量?

其次是要弄清楚暗能量加速宇宙膨脹的機制，怎樣起加速作用?有人認為是一種斥力，因為它與引力作用相反。即使是斥力。也需要建立相應的理論和作用規律。

另外還要考慮以后的變化。粗略看來，隨著宇宙不斷膨脹，由物質和暗物質提供的宇宙平均密度會不斷減小，即a值在減小。但整個宇宙保持平坦，即a+b=1；則b值要不斷增加，也就是暗能量增加，更加速宇宙膨脹。這種循環會產生什么后果?

總之，暗能量仍然是一個謎。

[責任編輯]蒲暉