宇宙演化與暗能量

趙崢

弗利德曼和勒梅特的宇宙模型都指出，宇宙未來的演化有3種可能性，如圖1所示。圖中橫坐標f表示時間，縱坐標a（f）是宇宙的尺度因子。粗略地說，a（f）反映宇宙三維空間的尺度大小。

一種情況，宇宙是脈動型的，膨脹到一定程度會轉變為收縮。這種宇宙的三維空間曲率K是正的，體積是有限的，是有限無邊的宇宙。在有限無邊這一點上，脈動宇宙與愛因斯坦的靜態宇宙是一樣的，只不過脈動的宇宙在動，靜態宇宙則不隨時間變化。

脈動的宇宙在轉化為收縮后，體積會越來越小，溫度會越來越高，重新化為核火球。目前，比較流行的看法是，脈動宇宙在收縮到一定程度時會發生“反彈”，再次轉入膨脹。所以，這樣的宇宙會不斷脹縮交替，像脈搏跳動一樣，這就是稱它為脈動宇宙的原因。

弗利德曼和勒梅特得到的第二類和第三類宇宙模型都不會轉化為收縮，都將永遠膨脹下去，溫度會越來越低，趨向絕對零度。這兩類宇宙三維空間的體積都是無窮大。不同的是，其中一種的空間曲率K為零，也就是說三維空間是平直的，是平直的無限無邊的宇宙。另一種的空間曲率K為負，即三維空間的曲率是負的，是負曲率的無限無邊的宇宙。

讓人特別難以理解的是，這兩種無限無邊的宇宙，從誕生的那一刻起，空間就是無限大的。這兩種模型描述的膨脹，都是無限大的三維空間的膨脹。這一點和脈動宇宙完全不同，脈動宇宙誕生時三維體積可能無限小，然后逐漸脹大，達到極大值后轉化為收縮，體積越來越小，最后可能趨于無窮小，也可能在達到無窮小之前宇宙就會發生“反彈”，體積重新增大。究竟是達到“無窮小”還是發生“反彈”，目前學術界存在爭議。

不管宇宙將來會如何，會永遠膨脹還是脈動收縮，我們今天的宇宙無疑都處在膨脹過程中。天文觀測和哈勃定律都支持當前宇宙正在膨脹的觀點，在學術界沒有爭議。

然而，人們還是想知道，我們的宇宙未來會按哪種模式運行，是永遠膨脹還是會轉化為收縮。前面已談到，這一問題和我們所處的三維空間究竟有限還是無限是聯系在一起的。有限無邊的宇宙是脈動的，無限無邊的宇宙是永遠膨脹的。

科學家們發現，宇宙究竟屬于哪一種，取決于宇宙中的物質密度。物質密度越大，萬有引力的吸引效應就越強，這種吸引效應會使宇宙膨脹不斷減速，密度越過一個臨界密度時，吸引效應就會最終使宇宙的膨脹轉化為收縮。

研究表明，如果當前宇宙中物質的密度大于臨界密度，那么可以斷定我們的三維空間曲率為正，空間是有限無邊的，宇宙未來會從膨脹轉化為收縮，也就是說我們的宇宙是脈動的宇宙；如果宇宙中物質的密度等于臨界密度，則可以斷定我們所處的三維空間曲率為零，空間是平直的，無限無邊的，我們的宇宙將永遠膨脹下去；如果宇宙中物質的密度小于臨界密度，三維空間曲率為負，空間也是無限無邊的，宇宙同樣將永遠膨脹下去。

計算得到的臨界密度大約等于每立方米3個氫原子。觀測表明，我們宇宙的物質密度只有每立方米0.3個氫原子，遠小于臨界密度。這方面的觀測資料支持我們的宇宙會永遠膨脹的設想。不過，這種膨脹是減速膨脹，也就是說，我們宇宙的膨脹速度會越來越慢。

然而近年來的天文觀測得出一個驚人的發現：宇宙的膨脹正在加速。天文學家們發現，大約在60億年前，宇宙的膨脹從減速膨脹變成了加速膨脹。這是怎么回事呢？

這一發現來自對Ia型超新星的觀測。超新星爆發是大質量恒星演化到晚期出現的一場猛烈爆炸，它在1天里發出的光相當于太陽在1億年里發出的光，所以超新星很亮，遙遠星系中的超新星爆發我們都能看到。研究表明，質量大于七八個太陽質量的恒星，演化到晚期，如果還能剩余較多的質量，就有可能變成超新星。天文學家建議用Ia型超新星的絕對亮度和視亮度（我們觀測到的亮度）作比較，從而判定這顆超新星所在的星系離我們的遠近。他們用這一方法重新確定了這些星系到地球的距離。把新得到的距離和紅移作比較，得出了我們的宇宙正在作加速膨脹的結論。這一結論目前已經被絕大多數學者所接受。

宇宙怎么會加速膨脹呢？膨脹的動力來自什么呢？

天文學家早就發現，用牛頓第二定律和萬有引力定律解釋銀河系的旋轉運動有困難。人們看到，整個銀盤圍繞銀心轉動，盤上恒星受到的向心力應該與它圍繞銀心轉動時產生的慣性離心力平衡，二者相等才能維持穩定的旋轉。向心力應該是銀心物質施與的萬有引力，但從天文觀測得出的銀心質量不足以產生如此大的萬有引力。而且，從銀盤上離銀心遠近不同的恒星的轉速分別算出的離心力，也不支持銀河系的主要質量完全集中于銀心的假設。

于是天文學家們猜測可能存在一種暗物質。這種物質很奇怪，它不參加電磁相互作用，因而既不發光，也不擋光，但產生萬有引力。暗物質與我們觀察到的可見物質不同，并不集中于銀心，而是呈暈狀分布。假設銀河系中存在大量暗物質，就可以解釋銀盤上恒星的轉動規律了。

應該強調的是，暗物質不是氣體、塵埃，氣體在光的照射下自身會發光，大量的氣體和塵埃還會擋光，我們能通過觀測發現它們。暗物質也不是黑洞，黑洞的存在會對光的傳播產生影響。暗物質就像玻璃一樣，對光完全透明。為了把氣體、塵埃、黑洞等不發光的物質與暗物質明確分開，有時又把暗物質稱為“冷暗物質”，不過通常仍簡稱為暗物質。

近年來，為了解釋宇宙的加速膨脹，科學家們又設想宇宙間存在另一種奇怪的物質——暗能量。暗能量與暗物質有一點類似，就是它也不參加電磁相互作用，因而也不發光、不擋光，也是透明的。但它與普通物質和暗物質都不同，壓強是負的，表現出“負的引力效應”——排斥效應，因而能促使宇宙膨脹加速。

科學家們認為宇宙中均勻地存在著暗能量，密度不但各處相同，而且不隨時間變化。也就是說，隨著宇宙膨脹，宇宙空間體積的脹大，會不斷有暗能量從虛無中產生出來，使其密度保持不變。這一點和普通物質與暗物質也不同。

普通物質與暗物質是成團分布的，它們的空間密度在小尺度（宇觀尺度以下）上并不均勻。而且，除去宇宙極早期的一段時間之外，在宇宙膨脹過程中不再有普通物質和暗物質從真空中產生，所以它們的密度在宇宙膨脹過程中會隨著宇宙體積的增大而減小。

科學家們認為，宇宙中的暗物質和暗能量遠多于普通物質，在今天的宇宙中，它們所占的比例大致如圖2所示。

表中的冷暗物質就是我們目前科學界談論的暗物質，它究竟是什么東西，目前不清楚，人們設想了許多模型對它進行猜測。暗能量究竟是什么，也不清楚。許多粒子物理學家想出了各種奇奇怪怪的暗能量成分，但都不能得到天文觀測的支持。另一種可能是，在宇觀范圍內廣義相對論需要做大的修改，相對論專家也設想了多種方案，但同樣未得到觀測支持。

最有可能的是，所謂暗能量并不存在，宇宙膨脹加速是宇宙項的排斥效應造成的。這就是說，廣義相對論的基本方程——場方程中還是應該含宇宙項，愛因斯坦認為他一生所犯的最大錯誤（引進宇宙項）其實很可能并不是錯誤。

關于暗物質與暗能量的討論仍在繼續。endprint