暗能量——宇宙加速膨脹的推手？

子夜荷塘

“暗能量”占據了宇宙成分的絕大部分，含量超過70%。它的本質仍然是謎，或許還是今天的物理學面臨的最大謎題

宇宙有3/4的能量是一種未知的能量，被稱為暗能量。與同樣未知的暗物質一樣，這些“暗勢力”構成了宇宙的95%。只有余下的5%是普通物質，它們構成了星系、恒星、花花草草，以及我們人類。

有人說世界將終結于烈火，有人說將終結于寒冰……2011年的諾貝爾物理學獎獲得者通過仔細研究幾十顆遙遠星系之中被稱為“超新星”的爆炸恒星，得出了宇宙正在加速膨脹的結論。宇宙的膨脹始于140億年前的大爆炸，但在最初幾十億年里，宇宙膨脹的速度是越來越慢的。但最終，它開始加速膨脹。這種加速被認為是由暗能量驅動的，這種暗能量起初只占宇宙的一小部分。但隨著物質在宇宙膨脹過程中逐漸稀釋，暗能量變得越來越顯著。即便是對這些獲獎者而言，這項發現也完全出乎他們的意料。他們看到的現象，就好比是把一個小球拋向了空中，卻沒有看到它落回來，反倒看著它越來越快地上升，最終消失在了空中，仿佛引力無法逆轉小球上升的軌跡一般。類似的事情似乎發生在整個宇宙當中。宇宙膨脹的這種加速度暗示，在蘊藏于空間結構中的某種未知能量的推動下，宇宙正在分崩離析。

暗能量是一種不可見的、能推動宇宙運動的能量，宇宙中所有的恒星和行星的運動皆是由暗能量的斥力和萬有引力來推動的。之所以暗能量具有如此大的力量，是因為它在宇宙的結構中約占73%，占絕對統治地位。暗能量這樣一種充溢空間的、具有負壓強的能量，其實只是科學家們的猜想。只不過這個猜想是現階段解釋宇宙加速膨脹和宇宙中失落物質等問題的一個最理想的方案。“暗能量”的奇特之處在于，它只有物質的作用效應而不具備物質的基本特征，而且“暗能量”也不能被人們所感覺和目前各種儀器所觀測到。

對暗能量理論上的猜測可追溯到愛因斯坦年代，1915年愛因斯坦提出了廣義相對論，這是自牛頓時代以來第一次出現的重力理論。1917年，他將廣義相對論公式應用到整個宇宙，想看看能否獲得對宇宙本質的新認識。世界上的物理學家、數學家隨即開始解其中的引力方程，方程有兩種解，結論是宇宙不會完全靜止，宇宙沒有靜止點。

方程的第一種解是，如果宇宙只存在引力，沒有別的力作用的話，出于相互吸引，宇宙不可能靜止。

方程的另一種解是，宇宙爆炸的那一瞬間獲得了一個初速度，向外膨脹，但由于引力作用往回拉，宇宙肯定越脹越慢，所以宇宙不是膨脹就是收縮，不可能靜止。

愛因斯坦覺得從哲學思想上分析，這兩種解都不合適，按他的想法宇宙應該是靜止的，不能永不停息的運動。因此，愛因斯坦又向廣義相對論引力方程中引入了一項“宇宙常數”。這個宇宙常數起排斥力的作用，有了該常數之后，引力方程同時具備了引力和斥力，正好能夠達到平衡，可讓宇宙“靜止”下來。

上世紀20年代，美國著名天文學家哈勃經過觀測發現，宇宙確實是在不斷膨脹，他根據星系的距離和運行速度證實，離我們越遠的星系向外運動的速度越快，這是宇宙正在膨脹的表現。這一觀測結果完全與引入“宇宙常數”之前的引力方程的計算結果相契合，迅速得到了世界上絕大多數科學家的認可。愛因斯坦本來是想把宇宙“靜止”下來，但實際的宇宙是在膨脹著。他認為：“引入宇宙常數是我這一生所犯的最大錯誤！”

但愛因斯坦提出的“宇宙常數”并未被科學家們遺棄，一小部分科學家此后在將觀測結果與理論進行對比的時候，常常會把此常數捎帶上。如果計算結果顯示“宇宙常數”等于0，就證明該數確實不能用；反之，就證明愛因斯坦引入一個常數的思路是對的。

1998年，天文學家們在南極用80萬立米氣球搭載微波探測器在空中控測了宇宙微波背景下擾動的大量樣本，探測從各個方向襲擊地球的持續的電磁聲波。這些遙遠的聲音是大爆炸之后的遺留輻射。得出的結論是：“宇宙常數”不等于0，且在整個宇宙中所占比例還很大。此后，“宇宙常數”正式被稱為“暗能量”。

“宇宙常數”是個常數，是一個不隨時間變化的參數。因此，隨著物質在宇宙幾十億年來的膨脹過程中逐漸被稀釋，物質的引力也會越來越弱，暗能量就會逐漸占據上風。按照科學家的說法，這可以解釋為什么“宇宙常數”直到宇宙歷史中相當晚的一個時期，也就是五六十億年前，才逐漸開始發揮作用。大約在那一時期，物質的引力減到了比宇宙學常數還弱的地步。而在那一時期之前，宇宙的膨脹確實是一直在減速。

“宇宙常數”可能源自于真空，按照量子物理學的觀點，真空從來就沒有真的空過。相反，真空是一鍋不斷翻滾的量子湯，正反物質的虛粒子不斷產生又不斷消失，從而產生出能量。然而，對暗能量數量最簡單的估算，與空間中測量到的暗能量數量卻完全不符，足足大了大約10^120倍（1后面跟120個零）。這成了橫亙在理論與觀測之間的一條至今無解的巨大鴻溝——要知道，地球上所有海灘上的沙粒加在一起，也不過只有10^20（1后面跟20個零）。

也許，暗能量根本就不是常數。或許它會隨時間變化。或許一種未知的力場只是偶爾產生了暗能量。在物理學上，許多這樣的力場被統稱為“精質”，得名于希臘文的“第五元素”。精質可以加速宇宙膨脹，但只是有時候如此。這樣一來，預言宇宙最終命運就成了一件不可能完成的事情。

不管暗能量是什么，它似乎都會繼續長期存在下去。它與物理學家和天文學家研究了很長時間的宇宙學謎題符合得非常完美。2011年諾貝爾物理學獎的發現，向科學界揭露了一個95%的成分仍然未知的宇宙。現在，一切又皆有可能了。