探測空間的基本單元

陳壯叔

20世紀20年代，美國天文學家哈勃在觀測遠方星系時發現它們都在退行，即離我們而去。這說明宇宙在膨脹。這是一個重大的發現，是宇宙大爆炸學說的一個重要觀測證據。

人們一直以為，因為引力作用，宇宙膨脹的速度應逐漸放緩，可是20世紀90年代末對超新星的觀測表明，膨脹在加速。科學界認為，這是因為宇宙中存在一種過去未被發現的暗能量，它不可見，彌散分布，具有排斥的特性。2003年，威爾金森微波各向異性探測器公布了它對宇宙微波背景輻射的精確探測，證實宇宙中含4%的可見物質、23%的暗物質和73%的暗能量。

此時人們想到了愛因斯坦所說的自己所犯的“最大的錯誤”——宇宙常數。在愛因斯坦提出廣義相對論時，科學界的哲學思想普遍認為，宇宙應該處在恒穩定之中。愛因斯坦之所以引入宇宙常數，是想以此來抵消宇宙的膨脹，保持宇宙的恒定不變。因此，當哈勃發現宇宙確實在膨脹時，愛因斯坦承認自己失誤了。然而，這個常數現在倒是派上了用場，正好把它當成暗能量。但事情真的如此簡單嗎？

人們通常把彌散于空間中的暗能量視為肇事者，是因為它的存在把眾星系明顯地推開，而且它從未被觀測到，也未在實驗室內產生過，因為它從不與光發生相互作用。

關于這一現象，目前的觀點很多，這里僅選擇其中的一種。這個觀點認為，宇宙中充滿著所謂的“精華場”，而“精華場”對應的粒子則被稱為變色龍粒子。約50億年前，其場壓轉為負值，引起宇宙加速膨脹。研究者之所以選擇這一理論，是因為它可以跟物質相互作用，也就可以在實驗室里找到它。

宇宙學家由此提出，還有第五種自然力的存在（通常認為是四種，即電磁力、強核力、弱核力以及引力），其力程隨周圍環境的不同而改變，故稱之為“變色龍”。量子理論告訴我們，粒子的力程取決于該粒子的質量。例如，電磁場產生的光子沒有質量，故其力程是無限的。根據霍里和惠特曼等人的觀測，地面上空的物質密度約為0.59克/立方厘米，而變色龍粒子的質量約為中子的10-9，其力程不會超過1毫米。但在宇宙空間，物質密度約為10-29克/立方厘米，變色龍粒子的質量直跌22個數量級，其力程可以超過幾百萬光年。

霍里等人認為，最重要的是進行實驗驗證。由于變色龍粒子的第五種力是理論家推測得出的，如果按這種思路來設計實驗，取得成功的可能性是極大的。

一晃5年過去了，霍里觀點的支持者最近可能要發力了。

2014年8月，全球宇宙學家在芝加哥召開大型會議（COSMO），討論粒子物理和宇宙學的問題。

會議上，科學家首先圍繞兩種力展開了爭論，它們都可能把宇宙拆散。一種是暴脹，它出現在大爆炸后的瞬間，使宇宙以冪級數快速膨脹（幸好它很快結束，才有我們今日之宇宙）；另一種就是暗能量，它在使宇宙加速膨脹。

2014年3月，BICEP2團隊在宇宙微波背景上測得了圖譜，并認為它可以證實的確發生過一次暴脹。但會上的科學家認為，這一結果有待進一步證實，因為星系塵埃對微波信號的碰撞也會產生類似的圖譜。果然，在將這一圖譜與“普朗克”在同一天區獲得的數據做了疊加分析后，2015年1月，BICEP2團隊宣布撤回他們的論文。

會議很快轉到暗能量的議題上。暗能量是因理論需要而提出的概念，它可以產生一種反引力（斥力），能夠解釋目前觀測到的加速膨脹。但對其性質，我們可以說是一無所知。

令COSMO感到欣慰的是，有關暗能量的最新研究可能表明，膨脹是一種時空本身的基本性質。

變色龍的遮蔽

許多科學家認為，暗能量是用反引力把宇宙推開的。若果真如此，為何人們在實驗室內從未見過它？一種假設是，這個反引力僅適用于近真空的環境，在真空中它才會發揮作用。而我們太陽系的空間具有較大的物質密度，這個反引力被屏蔽了。

現在，C.巴策及和其同事已在實驗室內進行測試，尋找這種變色龍力。

巴策及說，如果暗能量效應（即變色龍力）只有在宇宙真空中才能被感覺到，那么同樣的效應也有可能在一個真空室內呈現出來。這個真空實驗室是這樣的：室內有一個穩定的小球和含1000顆原子的云層。

巴氏小組打算用激光將真空室內的原子推動1毫米。當這些原子運動時，它們將受到地球引力的拉力和小球的拉力。這個實驗可以測出究竟是什么力在影響它們。因為這些原子的路徑將受到干擾，并在它們的最終量子態上表現出來。

這個實驗現在還沒有開始，巴氏小組希望美國國防部的量子GPS系統能夠提供一個特殊激光器。

不過，話說回來，即使找到變色龍力，也并不意味著已找到暗能量，但這將解釋我們在局部空間中探測暗能量的嘗試為何失敗。同時，也證明了屏蔽機制。

時空的量子

一項在芝加哥郊外小屋中進行的實驗可能說明，暗能量是一種簡單的時空特性，十分類似于水分子相互作用時其行為在流體力學上的表現。

巴氏實驗的參與者霍魯米塔說，他們是在找時空的基本單位——“Jetter”。它的體積可能只是質子的10-18。在量子尺度上，這些時空小微點的行為更像波而不是粒子。

這個理論說，構成空間的是波而不是點，萬物皆處在微微的振動之中，而不是固定在那里。芝加哥大學的克雷格·霍根目前正在做實驗，嘗試根據霍魯米塔的設計測量Jetter。

他們讓兩條強激光束穿過長40米的管道，管中懸掛著許多小鏡面。激光將測量沿路的鏡面位置。若時空是平滑的，并表明無量子行為，那么鏡面將完全處在平靜狀態；若兩條激光測得的鏡面位置具有同一個小差異，就意味著鏡面處在空間織物的起伏之中，被微微地搖晃著。

霍根說，從這一思想再跨出一步，時空的量子態跟物質可能是相互糾纏的，因此你無法在不影響那個的情況下測量這個。

現在，我們最好的理論是用幾何學來描述時空，而用量子場來研究物質。科學界正為把這二者結合起來而努力。霍根說，若霍魯米塔能在實驗中看到一些東西，將有助于達成這一目標。在微觀尺度上，這兩種特性是合一的。單是時空的幾何學性質，就應使宇宙膨脹。

霍根在COSMO會議上發言說，最初的結果表明霍魯米塔將最終測出空間量子的起伏。若如此，也就有可能收集足夠的數據，在較短時間內做出較為全面的回答。這也就是說，他們將測得Jetter。

大部分暗能量模型認為，其數量應該是一個常數。但10年前宇宙學家認識到，其總密度正在變大，我們可能將面臨一個噩夢——大撕裂。時空日益快速膨脹，物質將被撕開，這開始于星系團的離散，最終將是原子核的破碎。因此，宇宙學家又把暗能量稱為“幽靈能量”。

為證實這些，密歇根大學的D.赫特轉而測量超新星Ia。這些巨星爆炸時具有同樣的亮度，因此可被當作宇宙的量天尺，以探測天體間的距離。20世紀90年代末期，第一個說明宇宙膨脹在加速的證據，正是通過超新星得到的。若超新星過去的離開速度慢于現在，則說明暗能量的密度可能正在增大。

赫特等人已將最新的超新星測量數據編輯成表。他們發現，在過去的20億年中，暗能量的密度略有增大，但這不具有統計學意義。

“幽靈能量”是一個弱勢理論，其影響卻如此之大。赫特說：“我們可能要完全修改關于暗能量的現行思想。”