暗能量：占超三分之二宇宙成分的暗物質(zhì)仍神秘不可測

1、暗能量:占超2/3宇宙成分的暗物質(zhì)仍神秘不可測2013-12-13 08:22來源：科技訊  【科技訊】12月12日消息，據(jù)外國媒體報道，自打發(fā)現(xiàn)有一種神秘的東西在把宇宙扯開，這15年來我們一直在絞盡腦汁。但我們?nèi)匀徊恢浪鞘裁础Ｋ鼰o處不在，卻又無法被看見。它在宇宙成分中占據(jù)了超過三分之二，但我們不知道它從何而來，又由什么構(gòu)成。美國加州理工學院的理論物理學家肖恩·卡羅爾(說：“大自然還沒有準備好向我們透露任何有關的線索?！辈贿^，至少我們?yōu)檫@種最神秘的東西起了個名字：暗能量。現(xiàn)在，對它的追捕正在進行。2013年年底，天文學家將啟動一項新的巡天，在爆炸的恒星和古老的星系團之間

2、尋找這些東西的跡象。一系列的空間任務和地面上的巨型望遠鏡很快也會加入其中。同時，一些物理學家正在探求一個非正統(tǒng)的想法：在實驗室里誘捕暗能量。迄今為止，我們對暗能量仍知之甚少，所知的或許只限于3點。第一，暗能量是向外推的。1998年，我們首次留意到了這一點，因為我們發(fā)現(xiàn)某一類超新星爆炸的亮度暗得出乎意料，說明它們的距離遠過我們的預期?？臻g似乎從某個時刻起開始了加速膨脹，就好像有一種斥力抵御著物質(zhì)間的引力在向外推動一樣。第二，暗能量大量存在。星系的運動和成團能告訴我們宇宙中有多少物質(zhì)，而大爆炸后38萬年時發(fā)出的宇宙微波背景輻射，則向我們透露了宇宙中物質(zhì)和能量的總密度。這第二個數(shù)字要比第一個大得多。

3、根據(jù)最新的觀測數(shù)據(jù)，包括歐洲空間局普朗克衛(wèi)星的微波觀測，宇宙中大約68%的成分是以非物質(zhì)的、表現(xiàn)為斥力的能量形式出現(xiàn)的。在每立方千米的空間中大約有1焦耳。第三，暗能量讓物理學家富于創(chuàng)造力的思維充滿了活力。他們已經(jīng)提出了數(shù)百種不同且充滿想象力的理論。其中最平淡的，當屬宇宙學常數(shù)，不過即便如此，它仍屬于“狂野之物”。它是空間固有的能量密度，在愛因斯坦的廣義相對論下會產(chǎn)生斥力。隨著空間膨脹，它會越來越多，使得它的排斥力超過因物質(zhì)日益分散而逐漸變?nèi)醯囊?。粒子物理學甚至為它提供了一個起源：在充滿了不確定性的量子真空中不斷出現(xiàn)和消失的虛粒子。但問題是，這些粒子的能量太多了根據(jù)最簡單的計算，每立方千米含有

4、的能量約為10120焦耳。這一災難性的差異，為琳瑯滿目的其他替代理論留下了生存空間。比如說，暗能量有可能是“第五元素”，一種假想的能量，能滲透進空間，隨時間改變，甚至能在不同的地方聚集。它也可能是一種經(jīng)過修改的引力，在遠距離上表現(xiàn)為斥力。又或者，它是地球在宇宙中所處的特殊位置造成的錯覺。暗能量還可能是波長比可觀測宇宙大萬億倍的無線電波，甚至有可能是更奇特的東西?！霸S多聰明人都試圖構(gòu)想出比宇宙學常數(shù)更好的東西，或者去理解為什么宇宙學常數(shù)具有如此的數(shù)值，”卡羅爾說，“大致說來，他們都失敗了?！焙诎到蹬R觀測暗能量是否會隨時間變化，是做出裁決的一種方式。如果它確實隨時間演化，宇宙學常數(shù)就可以排除了：作

5、為空間的固有特性，它的密度應該保持不變才對。與之相反，在大多數(shù)“第五元素”模型中，隨著空間的膨脹，暗能量會慢慢地稀釋不過在一些模型中，它實際上會增強，加速宇宙的膨脹。在大多數(shù)修改引力的理論中，暗能量的密度也會變化。它甚至可以先上升后下降，或者反過來。宇宙的命運完全取決于這一平衡。如果暗能量保持穩(wěn)定，宇宙就會加速膨脹，把我們變成一個孤立小島，跟宇宙的其他部分隔絕開來。如果暗能量會增強，最終可能就會把所有物質(zhì)全部“撕碎”，甚至連空間結(jié)構(gòu)都變得不再穩(wěn)定。根據(jù)對超新星的觀測，我們今天最佳的估計是，暗能量的密度相當穩(wěn)定。有一種觀點認為，暗能量正在緩慢增強，但不確定性太大，目前我們還不必擔心這一增長。從2

6、013年9月起，一個名為“暗能量巡天”的國際項目將開始收集數(shù)據(jù)，旨在進一步了解暗能量。位于智利托洛洛山美洲天文臺口徑4米的維克托·布蘭科望遠鏡，以及一個專門設計的紅外照相機，將在廣大的天區(qū)中尋找暗能量的若干跡象。該項目主管、美國芝加哥大學的喬舒亞·弗里曼說：“雖然不是世界上最大的望遠鏡，但它的視場非常大。”第一步，這臺望遠鏡將捕獲更多的超新星。每一場恒星爆炸的視亮度(就是在我們看來它有多亮)，都能告訴我們它們發(fā)生在多久之前。這些光向我們傳播的過程中，波長會因空間的膨脹而被拉長，也就是紅移。把這兩樣東西結(jié)合起來，我們就能測出宇宙如何隨時間膨脹。這項巡天還將繪制一幅復雜的天圖，

7、會標出幾億個星系的位置以及它們到我們的距離。在宇宙的嬰兒時期曾經(jīng)在宇宙中回蕩的聲波，給巨大的超星系團賦予了一個特征尺度。通過測量超星系團的視大小(就是在我們看來它有多大)，我們可以從一個新的視角來回顧宇宙膨脹的歷史。放眼天空這份天圖還將揭示暗能量對較小尺度的影響。暗能量會阻礙星系聚集形成星系團。巡天項目組將直接對星系團進行計數(shù)，還會借助引力透鏡效應追蹤它們的成長。引力透鏡是星系團彎曲更遙遠的天體發(fā)出的光線時出現(xiàn)的一種現(xiàn)象。這些不同的測量，應該能給我們提供一些線索，透露暗能量是否會隨時間而變?nèi)绻_實會變的話。弗里曼說，他們的巡天可以把現(xiàn)有結(jié)果的誤差范圍減小到1/4。到2016年，巡天的初步分析結(jié)

8、果公布時，他們就能開始甄別一些不同的理論模型了。一個完整的暗能量獵手團隊，將在幾年之后組建完畢。由美國主導的大口徑全天巡視望遠鏡將在2021年睜開它的巨眼。其他巨型望遠鏡，比如位于夏威夷的30米望遠鏡，以及同在智利的歐洲特大望遠鏡和巨麥哲倫望遠鏡，都將在大約同一時間投入使用。在澳大利亞和南非興建的巨型射電接收器平方千米陣也會加入它們的行列。通過觀測氫云的射電輻射，平方千米陣可以追蹤宇宙的結(jié)構(gòu)。到2020年，歐洲空間局和美國宇航局計劃發(fā)射一顆名為“歐幾里德”的暗能量探測衛(wèi)星，能夠觀測宇宙更早時期的引力透鏡和星系成團。美國的大視場紅外巡天望遠鏡或許會緊隨其后。這場穿越空間的暗能量圍獵將會驚心動魄，

9、但獵物仍有可能會逃之夭夭。比方說，我們也許會發(fā)現(xiàn)，暗能量的密度隨著時間的推移幾乎保持恒定。這看起來似乎支持了宇宙學常數(shù)，但它并不能排除一部分“第五元素”的理論，因為那些理論中的“第五元素”恰好具有幾乎恒定的密度。況且，就算我們發(fā)現(xiàn)暗能量密度確實在增長或者降低，我們可能也無法分辨，這種變化到底是由于“第五元素”，還是出自某種隨時間變化的引力。于是，一些物理學家提出，在地球上設置“陷阱”來誘捕暗能量。英國諾丁漢大學的克萊爾·伯雷奇說：“如果你引入一種新的場或者粒子，來充當你的暗能量，那么它們也將成為載體，傳遞一種新的作用力。”類似“第五元素”的東西，會產(chǎn)生有別于引力、電磁力、弱核力和強核

10、力的第5種基本作用力。“但是，我們在太陽系里沒有看到第5種力，”伯雷奇說。理論學家擺脫這一癥結(jié)的通常做法是，添加一個屏蔽機制，削弱密度相對較高的環(huán)境中(比如太陽附近)第五種力的強度。一個被稱為“GammeV”的項目已經(jīng)在美國費米實驗室就位，已經(jīng)開始搜尋一種被屏蔽的特殊暗能量，也就是所謂的“變色龍”。到目前為止，GammeV仍然一無所獲，不過現(xiàn)在，伯雷奇打算搜尋更大范圍內(nèi)的暗能量，靈敏度也要更高。她和英國諾丁漢大學的同事埃德蒙·科普蘭及英國倫敦帝國學院的埃德·海因茲合作，想利用處于玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的低溫原子團來暴露暗能量的蹤跡。這種低溫原子團會像一個整體那樣，在量子波動中

11、振蕩。暗能量應該會略微降低這種振蕩的頻率。這個研究團隊計劃把一團凝聚物一分為二，在其中之一附近放置一個高密度物體。如果物體屏蔽了暗能量，兩個“半團”凝聚物中的波就會脫離同步，再把它們重新放在一起時，兩者就會發(fā)生干涉。電效應在美國西雅圖的華盛頓大學，E t-Wash扭擺實驗正在探測其他形式的宇宙斥力。有一種理論認為，尺度不到1毫米的空間額外維度可能為暗能量提供了容身之處。在這么小的尺度上，它或許還能夠增大引力的強度。一種被稱為“對稱子”的被屏蔽的“第五元素”，會在類似的小尺度上產(chǎn)生一個額外的作用力如此微妙的效應，應該可以在E t-Wash扭擺細微的扭動中顯現(xiàn)出來。與此同時，美國普林斯頓大學的邁克爾·羅馬利斯和美國達特茅斯學院的羅伯特·考德威爾在2013年提出，如果普通光子或電子能夠感受到哪怕極其微弱的“第五元素”，那么地球上的磁場就應該會產(chǎn)生一個微小的靜電電荷。這種有可能很容易探測，當然任何專門為此設計的設備都必須非常精密才行?？_爾指出，我們還有可能會在太空中看到另一種電磁效應。如果光子與暗能量相互作用，當它們在宇宙中穿行時，光子的偏振就會發(fā)生旋轉(zhuǎn)。他說，如果普朗克團隊在幾年后宣布測量到宇宙微波背景輻射光子的偏振，“可以想象他們會宣布，他們已經(jīng)探測到了第五元素”。接下來，我們或許會坐立不安地再等上十幾年，等那些望