暗能量真的存在嗎？

科學界最偉大的革命，往往由現實和預期之間最細微的差異所引發。16世紀，哥白尼提出地球並非宇宙中心，他的立論基礎在當時許多人看來，不過是天體運動中一些深奧難懂的細枝末節。今天，一場新的科學革命，已經隨著11年前宇宙加速膨脹的發現而拉開序幕。超新星亮度上的細微差異，曾讓天文學家得出結論：構成宇宙的所有物質成分當中，有70%是完全未知的。也就是說，空間中充斥著一種不同於其他任何物質的成分——它們始終推動著宇宙膨脹，而不像其他物質那樣阻礙膨脹。這種成分被稱為暗能量（dark energy）。

暗能量真的存在嗎？

10多年過去了，一些宇宙學家依然對暗能量的存在感到不可思議，甚至開始重新思考那些最初令他們推導出暗能量的基本假設。其中一個假設正是早期科學革命的產物——哥白尼原理（Copernican principle）。這個原理認為，地球所處的位置既不是宇宙中心，也沒有任何特殊之處。如果我們拋棄這一基本原理，一套能夠解釋這些觀測現象而又不需要藉助暗能量的宇宙圖景，就會令人驚訝地顯現出來。

大多數人都非常熟悉這樣一個觀念：我們這顆行星不過是一粒宇宙微塵，在一個毫不起眼的星系邊緣附近，圍繞著一顆普普通通的恆星旋轉。在我們這個宇宙當中，類似的星系至少有數十億，分布之廣甚至超過我們的宇宙視界（cosmic horizon，即我們能夠觀測到的最遠邊界）——這使我們相信，自己在宇宙中的位置沒有任何獨一無二之處。不過，有什麼證據能夠支持如此謙卑的宇宙觀？我們又如何才能確定自己是否處在一個特殊位置上呢？天文學家通常會跳過這些問題，假定我們的微不足道是顯而易見的，不需要進一步探討。我們或許真的處在宇宙中一個特殊的位置——考慮這樣一種可能性在許多人看來似乎是不可思議的。然而，這正是世界各地一些物理學家小組最近正在認真思考的觀點。

具有諷刺意味的是，假設自己在宇宙中無足輕重，恰恰給宇宙學家提供了強大的解釋能力。根據哥白尼原理歸納而成的宇宙學原理（cosmological principle）聲稱：任何時刻，從空間中的任意一點朝任意方向看去，宇宙的模樣都是一樣的。這個假設讓我們可以把自己在宇宙一隅看到的東西外推到整個宇宙。宇宙學家已經付出了巨大的努力，以宇宙學原理為基礎，構建起了代表科學最高水準的宇宙學模型。結合現代科學對空間、時間和物質的理解，宇宙學原理暗示：空間正在膨脹，宇宙正在變冷，其中充斥著來自熾熱宇宙開端的遺迹——所有這些預言都被天文觀測一一證實。

比如說，天文學家發現，遙遠星系發的光似乎比鄰近星系發的光更紅一些。這種被稱為紅移（redshift）的現象就能夠用空間膨脹來巧妙解釋，因為光波也會隨空間的膨脹而被相應地拉長。微波探測器還發現了宇宙極早期發出的輻射——宇宙微波背景（cosmic microwave background）。這種大爆炸原始火球的遺迹，像一層帷幕包裹在空間各個方向，平滑得幾乎完美無瑕。公平地講，能成功解釋這些現象，我們自視謙卑的態度實在功不可沒——假設自己在宇宙中的位置越不重要，我們就越能夠「全面」地探討宇宙。

黑暗降臨

既然如此，為什麼我們不能安於現狀？如果宇宙學原理真的如此成功，為什麼還要去質疑它？問題就在於，天文觀測有了一些非常奇怪的結果。過去十年來，天文學家發現，對於紅移程度確定的遙遠超新星來說，觀測到的亮度總是暗於預期。超新星的紅移標明了自它爆炸以來空間膨脹的幅度。測出遙遠超新星發光的紅移程度，宇宙學家就能推斷，這顆超新星爆炸時宇宙的尺寸比今天小多少。超新星紅移程度越高，它爆炸時宇宙的尺寸就越小，因此從那時起到現在，宇宙膨脹的幅度也就越大。

超新星的觀測亮度給我們提供了一種方法，能夠測量它到我們的距離，從而揭示這顆超新星爆炸距今有多久。如果一顆超新星的紅移程度已經確定，而它的亮度看起來又低於預期，這顆超新星的距離就一定比天文學家認為的更遠。它發的光需要更長的時間才能傳到我們這裡，這意味著宇宙從當時的大小膨脹到現在的大小，一定花了更久的時間。因此，宇宙過去的膨脹速度一定比科學家以前預期的更緩慢。事實上，遙遠的超新星看上去非常暗，以至於宇宙必須加速膨脹才能趕上它目前的膨脹速度。

這種加速膨脹觸發了一場宇宙學革命：宇宙中的物質本該吸引時空結構，使膨脹速度逐漸放緩，但超新星數據暗示，情況恰恰相反。如果宇宙學家接受宇宙學原理，並且假設加速膨脹出現在宇宙各處，我們就能得出這樣一個結論：宇宙中必定充斥著一種能夠產生排斥力的奇異能量——暗能量。

在物理學家用來描述基本粒子和作用力的標準模型中，沒有任何東西與暗能量相符。這是一種尚未被直接觀測到的物質，它的性質不同於我們以往看到的任何東西，能量密度也比我們能夠作出的最簡單設想低了120個數量級（根據量子場論推算出的真空能，能量密度是暗能量的10 120 倍）。對於暗能量可能是什麼，物理學家有了一些想法，但至今仍然純屬推測。簡而言之，對於暗能量，我們幾乎可以說是一無所知。不論暗能量可能是什麼，研究人員正在著手進行一系列雄心勃勃、耗資巨大的地面和空間探測任務，用來尋找暗能量並測定它的性質。對許多人來說，這是現代宇宙學面臨的最艱巨挑戰。

光明之路

面對如此不可思議、看起來不太可能存在的暗能量，一些研究人員開始重新思考「暗能量存在」的推導過程，質疑起當時的一個根本假設——我們在宇宙中所處的位置到底是不是很普通，我們觀測到的現象能不能推廣到宇宙各處？如果拋開宇宙學原理，暗能量存在的證據能不能通過其他方式來解釋？

在傳統宇宙學描述中，「宇宙膨脹」指的是宇宙作為一個整體發生的膨脹。就如同談論一個正在充氣的氣球：我們說氣球充到了多大，指的是整個氣球的大小，而不會具體到氣球上每一小塊膨脹了多少。不過，我們都在聚會場合見到過一些奇形怪狀的氣球，它們的膨脹並不均勻。比如長條狀氣球充氣時，側邊上的一圈會迅速膨脹，然後鼓起來的部分才會向長條的另一端延伸過去。在拋棄宇宙學原理的另一種宇宙學觀點中，空間也能夠不均勻膨脹。一幅複雜得多的宇宙圖景就此浮出水面。

我們不妨看一看下面這種模型，這是南非開普敦大學（University of Cape Town）的喬治·埃利斯（George Ellis）、查爾斯·赫拉比（Charles Hellaby）和納齊姆·穆斯塔法（Nazeem Mustapha）最先提出，後來被法國巴黎－默東天文台（Paris-Meudon Observatory）的瑪麗－諾埃勒·塞萊里耶（Marie-Noelle Célérier）進一步發展的：首先，假設宇宙各處膨脹都在減速，因為物質總是在吸引時空，阻止它向外膨脹；然後，假設我們居住在一個超級龐大的宇宙巨洞（cosmic void）之中——巨洞內部並非空無一物，只不過平均物質密度僅為其他地方的一半甚至三分之一。一塊空間區域越是空曠，內部包含的、能減緩空間膨脹的物質就越少；因此，巨洞內部的膨脹速度要比其他地方更快——正中央膨脹最為迅速，越靠近邊緣膨脹越慢，因為巨洞外密度較高的區域在邊緣附近已經開始發揮作用了。任何時刻，空間不同部分的膨脹速度都不相同，就像那些奇形怪狀的氣球充氣時膨脹不均勻一樣。

設想一些超新星在這個不均勻宇宙中的不同位置爆發，有些靠近巨洞中心，有些靠近巨洞邊緣，還有一些位於巨洞之外。如果我們靠近巨洞中心，一顆超新星距離我們越遠，它周圍空間的膨脹速度就越慢。它發出的光在向我們傳播的過程中，所經區域的膨脹速度會越來越快。光經過每一塊區域，空間膨脹都會把光波拉長一點，這種效應累積起來產生了我們觀測到的紅移。光在這樣一個宇宙中傳播一定距離後產生的紅移，要比在以相同速度（即我們周邊的膨脹速度）整體膨脹的宇宙中產生的紅移略低一些。反過來，光在這樣一個宇宙中要達到一定的紅移，它的傳播距離就必須比膨脹速度一致的宇宙里光的傳播距離更長——也就是說，這顆超新星必須離我們更遠，因而看起來更暗。

換句話說，這個模型把膨脹速度的變化從時間上「轉移」到了空間上。通過這種方式，宇宙學家不需要引入暗能量，就能解釋「超新星亮度暗於預期」這一觀測事實。為了讓這套「另類」解釋行得通，我們必須生活在一個真正達到宇宙尺度的巨洞之中。超新星觀測的範圍已經延伸到幾十億光年之外，佔據了整個可觀測宇宙中很大的一部分。要想解釋這些觀測數據，巨洞的大小就必須達到類似的尺度。無論以誰的標準來看，這都足夠稱得上「巨大」了。

牽強附會？

這樣一個宇宙巨洞有多古怪呢？它似乎公然違背了宇宙微波背景（天文學家觀測到微波背景在各方向上強度相差不超過1/100 000），更不用說星系在空間中看似均勻的分布了。然而，更仔細的審視表明，這些證據也許不足以確鑿無疑地排除宇宙巨洞。

背景輻射強度上的均勻一致，要求宇宙在各個方向上看起來幾乎一樣。如果巨洞大致呈球形，我們離巨洞中心又足夠近，這些觀測事實就不存在任何問題。此外，微波背景確實存在一些異常特徵，或許能夠用大尺度的非均勻性來解釋。

至於星系分布，現有的巡天觀測還無法探測到足夠遙遠的星系，根本不足以排除尺寸大到能夠「模擬」暗能量的超級宇宙巨洞的存在。這些巡天觀測發現了大小約為數億光年的「小型」巨洞、物質纖維及其他結構，但我們此前一直談論的那個巨洞，尺寸還要再大一個數量級。星系巡天觀測有沒有證實宇宙學原理，這是天文學界目前正在激烈爭論的一個問題。美國紐約大學的戴維·霍格（David Hogg）及其合作者所作的分析表明，宇宙中最大的結構大約為2億光年；在更大的尺度上，物質的分布似乎均勻平滑，與宇宙學原理相符。但義大利羅馬費米中心（Enrico Fermi Center）的弗朗切斯科·西洛斯·拉比尼（Francesco Sylos Labini）及其同事主張，迄今為止發現的最大結構，不過是發現這些結構的星系巡天項目在有限的探測範圍內找到的「最大」結構而已。更大的結構或許超出了這些巡天的觀測範圍。

假設你有一張地圖，顯示了方圓10千米內的地形，一條公路從地圖的一側延伸到另外一側。由此得出最長的公路只有10千米長的結論，顯然是錯誤的。要確定最長公路的長度，你需要一張更大的、清楚標明所有公路起止地點的地圖，這樣你才能知道公路的完整規模。與此類似，天文學家要證明宇宙學原理，就必須進行大規模的星系巡天，探測範圍必須超過宇宙中最大的結構才行。現有的巡天觀測到底夠不夠大，這是一個尚在爭論的問題。

對理論學家來說，超級巨洞也是一個難以「消化」的東西。現有的所有證據都暗示，星系和纖維、巨洞之類的大尺度結構都是從微觀量子漲落中「孕育」而來的（宇宙膨脹把這些微觀「種子」放大到了天文學尺度），宇宙學理論能夠準確預言特定大小的結構在宇宙中出現的幾率。尺寸越大的結構應該越罕見。大到足以「模擬」暗能量的超級宇宙巨洞出現的幾率不超過1/10 100。超級巨洞或許真的存在，但在我們能夠觀測的宇宙中找到一個的可能性，似乎微乎其微。

不過，上述推理可能存在一個漏洞。20世紀90年代初，「早期宇宙標準模型」的提出者之一、美國斯坦福大學的安德烈·林德（Andrei Linde）及其同事證明，儘管超級巨洞很罕見，但它們在宇宙早期的膨脹速度更快，最終佔據了大多數宇宙空間。觀測者發現自己位於一個超級巨洞內部的可能性，或許根本沒那麼低。這個結論表明，宇宙學原理（即我們並不居住在一個特殊的位置）和平凡原理（principle of mediocrity，即我們只是普普通通的觀測者）之間，並不總能畫上等號。看起來，人類在平凡普通的同時，也可以居住在一個特殊的位置。

檢測巨洞

什麼樣的觀測能夠判斷，是宇宙在暗能量的驅動下加速膨脹，還是我們居住在超級巨洞中心之類的特殊位置？為了檢驗巨洞是否存在，宇宙學家需要建立一個有效的模型，用來描述空間、時間和物質如何對周邊環境作出響應。1933年，阿貝·喬治·勒梅特（Abbé Georges Lema tre）提出的一個宇宙模型恰好符合要求；一年後，理查德·托爾曼 （Richard Tolman）也獨立提出了同樣的模型，第二次世界大戰之後由赫爾曼·邦迪（Hermann Bondi）進一步發展完善。在他們設想的那個宇宙中，膨脹速度不僅取決於時間，還取決於到某個特定位置的距離，這和我們現在的假設如出一轍。

有了勒梅特―托爾曼―邦迪宇宙模型，宇宙學家就可以預測一系列能夠觀測的物理量。先來看看讓天文學家一開始推導出暗能量存在的超新星。天文學家觀測到的超新星越多，重構的宇宙膨脹歷史就越準確。嚴格地說，這些觀測不可能排除巨洞模型，因為不論觀測到什麼樣的超新星數據，宇宙學家都能用一個形狀合適的巨洞來解釋它。不過，想要做到與暗能量完全沒有任何區別，這個巨洞就必須擁有一些非常奇怪的性質。

原因就在於，假想的暗能量所驅動的加速膨脹會一直持續到今天。如果用一個巨洞來精確「模擬」這一點，膨脹速度就必須隨著距離我們越來越遠而急劇下降，而且在任何方向上都必須如此。這樣一來，物質和能量密度就必須在任何方向上，隨著距離我們越來越遠而急劇增加。宇宙中物質的密度分布，看起來就必定像一個尖頭朝下的巫婆帽，帽尖指向我們居住的地方。然而，迄今觀測到的所有宇宙結構，似乎都與之完全相反：它們的密度分布大都是平滑的，不會平白無故出現一個「帽尖」。更糟糕的是，當年同在美國康奈爾大學的阿里·范德維爾德（Ali Vanderveld）和埃納·弗拉納根（Eanna Flanagan）曾經證明，指向我們居住地點的「帽尖」還必須是一個奇點才行，就像黑洞中間那個超緻密區域一樣。

不過，如果這個巨洞更為真實，擁有平滑的密度分布，它就會留下足以辨認身份的觀測「指紋」。平滑的空洞仍然能夠產生一些觀測現象，可能被誤認為是加速膨脹，但沒有「帽尖」的空洞將無法再現與暗能量完全相同的結果。確切地說，表面上看到的膨脹「加速度」隨紅移變化而發生的改變，將會泄露天機。我們在一篇與凱特·蘭德（Kate Land，當時在英國牛津大學）合作撰寫的論文中證明：在現有的幾百顆超新星觀測數據的基礎上，再多觀測幾百顆超新星，就應該足以判定巨洞和暗能量誰對誰錯了。超新星觀測項目處在一個非常有利的位置，很快就能夠實現這一目標。

超新星並不是唯一的觀測判據。1995年，美國普林斯頓大學的傑里米·古德曼（Jeremy Goodman）提出了另一種可能的檢驗方法——觀察微波背景輻射。當時暗能量的最佳證據尚未出爐，古德曼提出這種方法的目的，不是為了給任何無法解釋的現象尋求解釋，而是為哥白尼原理本身尋找證據。他的想法，是把遙遠的星系團當成鏡子，從不同位置來觀察宇宙，就像在天體試衣間里照不同的鏡子一樣。微波輻射遇到星系團時，一小部分會被星系團反射。仔細測量這些輻射的光譜，宇宙學家就能推斷，從其中某個星系團觀察宇宙時，宇宙看起來是什麼樣子。如果變換位置會改變宇宙表現出來的模樣，這將為巨洞或類似結構提供強有力的證據。

兩個宇宙學家小組已經將這一設想付諸實施。美國達特茅斯學院（Dartmouth College）的羅伯特·考德威爾（Robert Caldwell）和伊利諾伊州巴達維亞市費米國家加速器實驗室的艾伯特·斯特賓斯（Albert Stebbins），研究了微波背景中畸變的精確測量數據；西班牙馬德里大學的胡安·加西亞－貝利多 （Juan García-Bellido）和丹麥奧胡斯大學（University of Aarhus）的特勒爾斯·豪格博勒（Troels Haugbolle）則直接觀測單個星系團。這兩個小組都沒有檢測到巨洞的存在，他們最多只能對這樣一個巨洞可能具備什麼樣的性質加以限制。預定於2009年5月發射升空的普朗克衛星（Planck Surveyor），將給這個巨洞的性質做出更加嚴格的限制，甚至可能徹底排除巨洞的存在。

南非開普敦大學的布魯斯·巴西特（Bruce Bassett）、克里斯·克拉克森（Chris Clarkson）和呂慧卿（Teresa Lu）提出了第三種方法——獨立測量不同位置的膨脹速度。天文學家通常用紅移來衡量膨脹速度，但紅移是某一天體到我們之間所有空間區域膨脹效應的累積。由於所有這些區域都疊加在一起，紅移無法區分膨脹速度是隨空間變化還是隨時間變化。最好能夠篩除其他位置的膨脹效應，只測量某一特定空間位置的膨脹速度。但這項任務十分困難，目前尚未完成。觀察不同位置上宇宙結構的形成過程，或許是一種可行的辦法。星系和星系團的形成與演化，在很大程度上取決於當地的空間膨脹速度。研究不同位置上的這些天體，排除影響它們演化的其他效應，天文學家或許能夠分辨出膨脹速度上的細微差異。

其他可能

我們居住在一個超級宇宙巨洞的內部，這似乎跟「宇宙學原理」勢同水火，不過也可能存在一些折中的情況。宇宙在大尺度上可以遵循宇宙學原理，但星系巡天觀測已經發現的、規模較小的巨洞和物質纖維，也可能共同作用模擬出了暗能量效應。加拿大麥吉爾大學的蒂爾撒伯·比斯瓦斯（Tirthabir Biswas）和阿萊西奧·諾塔里（Alessio Notari），還有當時在義大利帕多瓦大學的瓦萊里奧·馬拉（Valerio Marra）以及他在美國芝加哥大學的合作者，對這個想法進行了研究。在他們的模型中，宇宙看起來就像瑞士乳酪——整體上均勻一致，但內部布滿孔洞。因此，不同地點的膨脹速度就會略有不同。遙遠的超新星發出的光在抵達我們這裡之前，會穿過許多較小的巨洞，膨脹速度上的變化會扭曲它們的亮度和紅移。不過目前看來，這個想法似乎前途不妙。本文作者之一克利夫頓和英國牛津大學的約瑟夫·尊茨（Joseph Zuntz）合作證明，再現暗能量效應需要存在大量物質密度極低的巨洞，而且它們的分布也必須遵循某種特殊的方式。

另一種可能性是，暗能量是宇宙學家慣用的數學近似方法產生的假象。為了計算宇宙膨脹速度，我們通常會統計一塊空間區域中所含物質的總量，再除以空間體積，得到平均能量密度。然後，我們將平均密度代入愛因斯坦引力方程，確定宇宙膨脹的平均速度。雖然密度會隨地點變化，但我們會把它視為整體平均值上的微小波動。

問題在於，把平均物質分布代入愛因斯坦方程求解，跟代入真實物質分布求解方程再對結果求幾何平均，完全是兩碼事。換句話說，我們是先平均再解方程，但實際上我們應該先解方程再平均。

把真正的宇宙、哪怕是任何大致近似於真實宇宙的東西代入整套方程求解，難度都是人們無法想像的，因此大多數科學家都求助於先平均再求解這種比較簡單的方法。為了確定這種近似方法到底有多準確，法國里昂大學的托馬斯·比謝爾（Thomas Buchert）進行了一項研究。他在宇宙學方程中引入了一組額外項，用來表示先平均再求解所產生的誤差。如果能夠證明這些項很小，那麼近似方法就很不錯；如果這些項很大，近似方法就很差。目前，這項研究還沒有得出確切結果。一些研究人員提出，這些額外項或許足以解釋暗能量，另一些研究人員則聲稱，這些項可以被忽略。

能夠區分暗能量和巨洞模型的觀測檢驗，不久就將展開。法國巴黎大學皮埃爾·阿斯捷（Pierre Astier）領導的超新星信息巡天（Supernova Legacy Survey）和目前正在設計的聯合暗能量任務（Joint Dark Energy Mission），將精確測定宇宙的膨脹歷史。普朗克衛星和各類地面及氣球運載的設備將更加精細地測繪宇宙微波背景。預計於2020年建成的超巨型射電望遠鏡——平方千米天線陣（Square Kilometer Array），將幫我們普查可觀測宇宙內的所有星系。

這場宇宙學革命，還遠遠沒有結束。

（本文作者：蒂莫西·克利夫頓，佩得羅·G·費雷拉；翻譯：虞駿）

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