暗能量主宰宇宙命運：可以把宇宙撕碎

暗能量主宰宇宙命運：可以把宇宙撕碎

因研究宇宙膨脹和暗能量而獲2011年度諾貝爾物理學獎的幾位科學家：布萊恩·施密特（左），亞當·里斯（中）和薩爾·玻爾馬特（右）

神秘的暗能量出現在宇宙誕生破曉時分，它可以讓宇宙穩定，也可以把宇宙撕碎。

天文學家布萊恩·施密特靜靜地回憶起那個使他獲得2011年諾貝爾物理學獎的驚人發現。那是1977年的某個瞬間，沒有欣喜，只有憂慮。

施密特是堪培拉的澳大利亞國立大學斯特羅姆勒山天文台的天體物理學家，在超新星領域有特殊貢獻。超新星是演化到末期的恆星發生劇烈爆炸的產物，最亮的時候相當於50億個太陽。這些明亮的天體是浩瀚星海中的燈塔，天文學家通過觀測超新星能夠測量宇宙的尺寸、形態和質量。

施密特的同行們分布在世界各地——歐洲、南美洲、美國等地區，他們的團隊在一天里每個時間段都有值班的科研人員，以確保第一時間分析望遠鏡的數據。施密特在東半球需要工作一整天，隨後發郵件給西半球加利福尼亞大學伯克利分校的同事亞當·里斯，由他進一步研究這些數據。

在一個繁忙的早晨，施密特收到了里斯傳來的一張圖表，涵蓋超新星距離的最新估測——但這些數據和他的預期迥然不同。「我只需憑藉雙眼就能知道發生了什麼。」施密特說：「當時我腦海中跳出一句話：噢，亞當！你做了什麼？」

我們應該理解施密特的疑慮。他以為可以看見一條從左下方朝右上方傾斜的曲線。而實際上這條曲線是向右下方傾斜的，猶如一條受驚的狗尾巴。施密特因此愁眉不展，隱約感覺天文學家應該重新思考宇宙的運行方式。

當時，施密特認為他對宇宙的演化理論已經成竹在胸：宇宙始於一個極端微小而充滿能量的奇點——也是大爆炸的點——從此不斷向外擴張，膨脹的空間帶著星系和超新星一起延伸和拓展。這些天體在引力的作用下相互拉扯，就像太陽束縛住地球一樣。據施密特所知，這樣的物理定律讓疾馳的宇宙逐漸平靜下來；宇宙仍然在膨脹，但引力使膨脹速度變小了。

然而，里斯所得出的結論卻演繹出另一個故事。超新星同地球的距離比任何人預期的都更遠，這表明宇宙比天文學家先前認為的更大，引力的拉扯力似乎被一種更強大的力量征服了。

最佳解釋聽上去好像很荒謬：宇宙在加速膨脹。斯密特對此結論的評價是「愚蠢」。誰都沒有觀測到能夠讓宇宙加速膨脹的力，因此，他認為這個發現一定是哪裡出錯了。

幾個月後，這個令人不安的觀念仍然存在。更重要的是，另一個由加州勞倫斯伯克利國家實驗室的薩爾·波爾馬特帶領的獨立團隊也得出了相同的結論。施密特、里斯和波爾馬特對超新星突破性的測量揭示了宇宙加速膨脹的事實，2011年，他們共同獲得了諾貝爾物理學獎。

物理學家為推動宇宙加速的力量安上了一個異想天開式的名字——暗能量，它對抗引力的束縛，將宇宙空間向外推擠。如果暗能量是宇宙疾速膨脹的幕後推手，那麼總有一天宇宙自身會在一場「大撕裂」中分崩離析。有關「反引力效應」的謎團正是現代物理學中的最大的困惑——暗能量來自哪裡？它如何推動宇宙膨脹？它是否真的存在？對於這些問題，學界全都沒有達成共識。

膨脹的證據

第一個暗示宇宙膨脹的證據可追溯到幾乎一個世紀前。在這個證據出現之前，物理學家仍然死死握住200多年前艾薩克·牛頓提出的宇宙模型，其中，空間和時間都是永恆穩定的，並可用嚴格的尺規和時鐘精確測量。根據牛頓的理論，引力是一種能夠在虛無的空間中穿行的力，這種無形的力量將天體拉扯到了一起。

宇宙的歷史。時間和空間從大爆炸開始，在經歷初期的膨脹後，便進入了加速膨脹過程

愛因斯坦在1915年提出的另一個關於引力的理論——相對論，挑戰了牛頓的宇宙模型。在愛因斯坦的理論框架中，三維的時空交織在一起創造了一個四維的大尺度網狀結構，這成了引力的發源地。時空在大質量天體（如恆星）周圍會發生扭曲；而更小的天體，比如行星，則嵌入時空，彷彿被一種力量推向更大的宇宙結構。

起初，愛因斯坦想像中的宇宙是球狀且靜止的，不會膨脹也不會收縮。令他吃驚的是，廣義相對論導出的卻是一個不穩定的宇宙：一個微小的變化就能打破輻射（如光）和物質之間的平衡，使宇宙向外膨脹或向內收縮。愛因斯坦為了堅持它的靜止宇宙模型，便引入了一個穩定的參數，稱為「宇宙常數」——它能抵消宇宙隨引力收縮的趨勢。宇宙常數只不過是一個為了使宇宙保持靜止而捏造出來的參數。

但靜止宇宙模型是錯誤的。

直到1930年，美國天文學家維斯托·梅爾文·斯里弗和埃德溫·哈勃測量了遙遠星系的運動，說服了所有人——包括愛因斯坦——不論如何，宇宙在膨脹。斯里弗和哈勃為人類開啟了一扇嶄新的宇宙之窗，迄今為止，天文學家仍舊通過這扇天窗觀測宇宙的過去和現在。

斯里弗和哈勃的結論基於多普勒效應，就是使鳴笛的汽車在接近和遠離我們時音調發生變化的效應。聲音和光都由波組成，你聽見的聲音和你看見的顏色取決於它們的波長，即兩個連續波峰之間的距離。

19世紀的奧地利物理學家克里斯琴·多普勒發現，當你所觀測的波源相對於你處於運動狀態，它的波長就會發生變化。離你遠去的波源發出的波會延長到達你處的時間，因而降低聲波的音高，或將光的顏色向更長波長的光譜移動，即紅移；向你靠近的波源發出的波則會被擠壓，因而提升聲波的音高，或使光發生藍移。

1912年，斯里弗發現所有他能觀測到的星系的光都比預期的更「紅」，表明光波被拉伸了。紅移意味著這些星系都朝遠離地球的方向移動，而紅移的大小則揭示它們的退行速度。

我們很難測量出星系的距離，施密特補充道，「因為你不可能放把尺子在星系和地球之間。」哈勃的推算基於每個星系中擁有相同光度的明亮恆星，它們就像相同瓦數的燈泡一般，越暗淡，距離越遠。

這是一個非常粗糙的假設，因為不是所有恆星都具有相同的亮度，但這個假設基本成立。哈勃發現遙遠星系發出的光越「紅」，星系退行的速度就越快。1929年，他將宇宙膨脹的證據公之於眾。

「用氣球做比喻更容易理解，氣球上事先畫好的點就相當於宇宙中的星系。」施密特解釋：「把氣球吹起來，氣球上的點開始相互遠離——它們離得越遠，相互退行的速度就越快。」哈勃的發現同這樣的宇宙模型相契合：宇宙誕生初期非常緊湊，如今就好比一個不斷膨脹的氣球。

宇宙中的燭光

作為世界上最古老的科學研究院——倫敦皇家協會的成員，施密特看上去非常年輕，幾乎可以用「無邪」來形容。他的頭髮是金色的，眼睛是藍色的，臉頰非常飽滿。這和多數科學家在經歷歲月洗禮、建立學術威望的職業盡頭才獲諾貝爾獎形成了鮮明對比。施密特只有46歲，里斯則更加年輕，波爾馬特年齡稍微大些。

施密特在高中階段開始著迷於夜空，那時他隨父母搬往美國阿拉斯加定居。用他自己的話說，那裡「夏季天空從來不會變得黑暗，冬季則比地獄還寒冷」，因此是一個適合天文觀測的地方。當電離粒子撞擊地球大氣，阿拉斯加上空還會出現絢爛的北極光，這是高緯地區特有的景象。

施密特的想像力從那時開始爆發，他把觀星和另一個愛好——電腦——結合起來。1981年，一位生物學家買來了第一台IBM的個人計算機，14歲的施密特把兩年的時間花在電腦上，計算出日食發生的日期。

幾年之後，施密特成為了圖森市亞利桑那大學的學生，他在計算機編碼方面的特長也派上了更大的用場。他用自己編寫的軟體篩選望遠鏡觀測到的亮點來辨認超新星——那些比普通恆星更明亮、發光時間通常只有幾星期的亮點。

當時，天文學家仍然想要找到宇宙減速膨脹的證據，而施密特尋找超新星的研究計劃則是關鍵。由於哈勃關於每顆恆星都具有相同的亮度的猜測並不完全正確，天文學家建立宇宙膨脹模型就需要更多可靠的宇宙之燭——那些不論離地球多遠都能夠以相同亮度燃燒的天體。

科學家把目光投向一類由死亡恆星演變而成的超新星——它們的質量和我們的太陽大致相同。在它們整個生命階段，它們依靠燃燒氫和氦來取得能量，以抵抗自身引力而不向內坍縮。這些燃料一旦消耗殆盡，殘餘物質就會向中央區域坍縮，恆星最終變成了白矮星。

白矮星這種大質量天體非常緻密，一茶匙物質就有好幾噸重，它們強大的引力能吸食鄰近恆星外圍的物質，佔為己有。當白矮星的質量達到了臨界值，即1.38倍太陽質量，它就會像一個巨大的熱核炸彈一樣發生劇烈爆炸。

這類超新星被稱為1a型超新星，它們達到質量臨界值時就會被引爆，爆炸的亮度非常相似，是天文學家觀測宇宙的指路明燈。只需測量這類超新星爆發時的亮度，就能估算它們和地球相距多遠。我們知道，光波在膨脹的空間中會被拉伸，所以天文學家根據紅移便能直接丈量宇宙的膨脹。

1989年，施密特在哈佛大學攻讀博士期間，便根據超新星的距離計算出了宇宙膨脹的即時速度。在此期間，里斯是低他三個年級的師弟，由同一導師羅伯特·科什納指導。

里斯同樣是在小時候就深深愛上了科學。他渴望親自做充滿危險的實驗，這令他父母非常擔心。六歲時，里斯把蚯蚓切成兩段，並觀察它們是否還能繼續爬動（蚯蚓真的沒有停止扭動）。不久之後，里斯又對電產生了好奇，他在兩個家用插座介面之間插了一條金屬片。「我把家裡的電路弄壞了，不過我從中學到了什麼是短路。」里斯大笑道。

利用1a型超新星探測宇宙膨脹的想法在施密特和里斯相遇後愈發強烈，他倆也因此迅速同波爾馬特成為競爭對手。波爾馬特當時已經確認了7顆1a型超新星，它們的距離都比先前科學家看到的遠10倍。由於遙遠天體的光到達地球需要時間，你的目光越深入蒼穹，展現在你眼前的宇宙歷史就越豐富。

為這些遙遠的超新星精確定位，有助於揭示宇宙在過去膨脹得有多快。波爾馬特說：「如果宇宙曾快速膨脹，遙遠超新星的紅移就會比鄰近的超新星更顯著。另一方面，如果宇宙在以較慢的速率膨脹，遙遠超新星的紅移則不會那麼明顯。」通過比較遙遠和鄰近的「恆星屍體」的紅移，還可能測得宇宙膨脹的速率是否曾發生改變。「這是一種很直接的測量方法，而其他人居然都沒用過，當時我就震驚了。」波爾馬特回憶道。

刀口上的宇宙

波爾馬特強烈渴望找尋宇宙最終命運的真相。幾十年前，宇宙學家凝視著愛因斯坦的方程式，推導出宇宙命運的三種可能性——這取決於宇宙中星系、恆星的數量。如果宇宙中物質的密度足夠大，宇宙就不僅僅會減慢膨脹速度，而且會在引力作用下收縮成一個極小的點——這就是「大坍縮」。

而如果宇宙所包含的物質數量在臨界值之下，則膨脹雖然會減少，但永遠不會停止；如果膨脹非常劇烈，或加速膨脹，宇宙則會終結於「大撕裂」。第三種可能的情況是物質正好處於臨界值（這個值好比一個尖尖的刀口），宇宙將永久保持穩定狀態。

正是這些深奧的哲學問題引領波爾馬特踏入了天文學的門檻。「在我小時候，我總想讀懂宇宙。」他說，「宇宙會在時間和空間中永遠存在下去嗎？它會有終點嗎？這可能是每個小學生都會問的問題。」他說，根據宇宙膨脹的歷史，我們能從實驗中推測未來，因此，這個問題是可能獲得答案的。

首位嘗試解決這個問題的宇宙學家，是麻省理工學院的阿蘭·古斯和當時在莫斯科列別捷夫物理研究所工作的安德烈·林德。他們各自獨立得出相同的推論：宇宙恰好在刀口——臨界密度處於平衡。

宇宙學家發現無論把望遠鏡對準哪裡，無論看得多遠，宇宙看上去總是相似的——這是他們尤為關注的，也是一直在努力解釋的疑惑。這個謎團是在天文學家測量宇宙微波背景輻射（宇宙大爆炸後殘留的輻射）之後躍入眼帘的。在整個天空中，微波背景輻射的溫度僅存在非常微小的差異。

兩個方向相反的點限制了我們能觀測到的範圍——北面140億光年的地方和南面140億光年的地方。在這兩端之間，微波背景輻射溫度僅相差萬分之一。問題來了，相隔280億光年遠的兩個區域何以擁有相同的溫度？

古斯和林德的答案很優雅：我們的宇宙曾經歷一段暴漲時期，即在宇宙大爆炸後的10-30秒，處於嬰兒階段的宇宙擴張速度超越了光速。如果真是這樣，這兩個端點在暴漲之前一定挨得很近，有足夠的時間在熱傳遞中保持一致的溫度。接著，暴漲撕裂了所有溫度大致相同的點，把它們擲向相反的兩端——這就解釋了為什麼宇宙在每個方向都如此相似。

重要的是，數學推導表明宇宙中被「熨平」的溫度同樣會導致宇宙處於臨界密度，即微妙地保持在繼續膨脹和向內坍縮之間的平衡狀態。但至今為止，天文學家所發現的物質僅占臨界密度的30%，這意味著還有70%的宇宙在和我們躲貓貓。

里斯很想找到這個問題的答案。

尋找暗物質

對天文學家來說，未能在可見的宇宙中觀測到那70%的物質似乎是個巨大的疏漏。天文學家明白，望遠鏡不可能捕捉到潛伏在宇宙中的一切。當他們發現大量星系外圍物質的旋轉速度都快得不可想像時，才意識到宇宙中多數物質都是不可見的。

星系外圍的恆星似乎被更強大的引力拖拽著，而這個更強大的力，比根據可見的恆星數量計算出來的引力還要大。最可信的解釋是星系中也包含著我們無法用傳統方式觀測到的「暗物質」，它們對外圍恆星也施加了引力。

里斯想知道宇宙中是否存在足夠多的暗物質來填補那70%的不可見的質量。他認為這可根據宇宙膨脹速度減緩的幅度來證明。如果宇宙膨脹速度顯著變慢，則可認為宇宙中存在著未觀測到的引力，它阻礙了宇宙擴張，而大量的暗物質便是罪魁禍首。暗物質的多少是支配宇宙繼續膨脹或反向坍縮的原因。

兩組科學家通過長期的望遠鏡觀測和數據分析，競相測量宇宙膨脹的速度。在1977年初，波爾馬特找到了從未預料到的第一個證據。他通過觀測超新星的亮度，發現在紅移給定的條件下，這些超新星比人們預測的更遙遠。如果這是事實，則能推導出一個令人震驚的結論：宇宙並不像過去認為的那樣在減速膨脹，而是膨脹得越來越快。波爾馬特在發布這個結論之前需要不斷檢驗它的正確性。

里斯則創造了一套測量宇宙密度的計算機程序，並得到了相同的怪異結論。結論並非指向一個由30%的物質組成的宇宙（即他所期望的永久膨脹情形所需要的條件），而是-30%——彷彿是對他的譏諷。這個數值與任何情況都不相符，也不具有物理意義。

一開始，里斯以為他的程序出了故障。最終他意識到這個情況是可以解釋的——直到現在都沒有被完全認定的解釋：也許暗物質並不是支配宇宙命運的唯一「成員」。也許還有其他什麼正潛伏在廣袤的宇宙中。

就是這封郵件

又回到了本文開頭提到的那張圖。

這張圖正是里斯得到結論後，通過郵件發送給澳大利亞的施密特的。里斯斬釘截鐵地告訴施密特這張圖中蘊含的信息：宇宙在膨脹，且膨脹速度隨時間推移越來越快。里斯和施密特懷揣著這個怪誕的結論，彷彿在航行中觸碰到了暗礁一樣。他們不得不嚴格地驗證這個結論。

對里斯來說，那段時間真是什麼事情都湊到一塊兒了。在那幾周里，里斯正準備婚禮，而所有的婚禮籌備工作都是他的未婚妻做的，里斯則一直宅在自己的實驗室里。「聖誕假期來臨，可我仍舊苦逼地埋頭實驗室。」里斯笑道。

直到1998年1月初，施密特和里斯才肯定了這個結論，他們把結論告知了整個研究團隊。里斯終於有了結婚和度蜜月的機會。

是時候向全世界公布這個結論了。同樣是1月份，波爾馬特的團隊在美國天文協會的一次會議上宣布了宇宙加速膨脹的數據，施密特的同事立即意識到這些數據和他們的結論是一致的。宇宙擴張的速度比之前任何人所想像的都要快，而這種驅使宇宙膨脹的未知力量是當時任何物理理論都無法解釋的。

物理學家為了描述驅使宇宙膨脹的力量，創造了「暗能量」這個術語。但實際上，這個「高大上」的辭彙反而突出了物理學家在這方面的無力——這種力量到底是什麼？它從哪裡來？它又是如何讓宇宙膨脹的？

2000年，毫米波河外星系和地球物理學氣球巡天計劃（BOOMERanG Experiment）和毫米波各向異性實驗成像陣列（MAXIMA）對大爆炸以來宇宙微波背景輻射的觀測已經超越了合理的懷疑。觀測表明，這些「宇宙妊娠紋」是宇宙加速膨脹的有力證據。

過去十年的天文觀測強化了物質（包括可見物質和暗物質）占宇宙30%的證據。里斯追蹤到了70億年前爆發的超新星，發現早期宇宙膨脹速度減緩是因為物質間的引力蓋過了暗能量向外推擠的力量。

隨著宇宙的膨脹，物質逐漸在空間中鋪展開來，引力拖拽效應變弱了；在50億年前，引力和暗能量相互平衡，使宇宙在一段時間內以一個穩定的速率膨脹，既不加速也不減速。在這之後，不斷擴張的宇宙中不再產生新的物質，原本存在的物質被進一步「稀釋」。如此一來，宇宙中物質的密度穩中有降，導致宇宙膨脹的速度加快了。

暗能量的起源

儘管暗能量的理論得到了發展，但物理學家對於暗物質起源的探尋仍然處於「黑暗時期」。在宇宙學家的一個模型中，暗能量是從在亞原子領域占支配地位的量子物理模糊定律中誕生的。量子力學看似離奇，因為在你觀測某個粒子之前，粒子沒有任何確定的屬性；相反，同一個粒子可同時在不同位置存在。

這種與生俱來的善變性，意味著你永遠無法確定某個粒子是否在那裡，即使在所謂的真空中也存在著進進出出的粒子，它們轉瞬即逝。這些「虛空」粒子如攪拌中的泡沫，為宇宙空間增添了能量，儘管迄今為止按照量子物理所推算出的暗能量比我們實際觀測到的更多。

量子效應能創造暗能量嗎？某種類似愛因斯坦宇宙常數的恆量是否能預測所有這樣的現象？「正因為如此，宇宙學家開始努力尋找某種能夠解釋暗能量的常數，它和宇宙常數相似，但不是宇宙常數。」施密特說。

另一個模型是精質（quintessence）模型，描述的是早期宇宙中普遍存在一片隱匿的區域，之後在離我們較近的一段時間內驅動宇宙膨脹。精質模型和量子力學模型相互衝突，因為在精質模型中，暗能量的強度會因宇宙常數恆定不變而發生變化。

精質只是宇宙常數的一個可能的替代物。還有另一種說法——我們的宇宙位於一個巨大的黑洞內部，由超緻密恆星在發生超新星爆發後留下的殘骸形成。宇宙學家斯蒂芬·亞歷山大的計算表明，中微子的亞原子微粒如果被引力擠壓到一起，即可形成一個宇宙尺度的「超流體」，產生反引力效應，這正好符合暗能量的強度。

把中微子擠壓成超流體，需要超緻密天體內部產生的巨大壓力，也就是說，在這個模型中，我們的宇宙必須包含在像黑洞這樣的天體里。「這聽上去很瘋狂，但我認為這是起碼應該具備的條件。」亞歷山大說。

不斷突破的視野

面對這些理論和諸多競爭對手，里斯陷入了困惑。「在過去二十年間，絕望無時無刻不纏繞著我們。這是可以理解的，畢竟擺在我們面前的是一個艱巨的任務。」波爾馬特補充道：「過去12年間，平均每天都會出現大約1篇有關暗能量的論文。」

里斯不想做領跑者，只是打算以公正的心態搜尋證據。「我就好比一位棒球裁判，不偏不倚，發現犯規者立即鳴哨。」里斯說。

大量的實驗除了為暗物質起源提供了許多解釋，也回答了1994年將波爾馬特、施密特和里斯深深吸引的謎團：宇宙最終會有什麼樣的命運？

如果暗能量以目前的形態持續下去，理論的某些版本則表明它會使宇宙經歷大撕裂——恆星、行星及所有原子都分崩離析。如果暗能量減弱或朝反方向發展，它將不與引力對抗，而是同引力「結盟」，讓宇宙在大坍縮中終結——我們所在的宇宙將收縮成一個無限小的點——彷彿又回到最初的狀態。現在看來，後一種情況發生的可能性似乎比較小。

旨在研究暗能量的歐洲空間局（ESA）「歐幾里得」任務，可能在未來給出更多答案。執行該任務的太空望遠鏡將於2020年發射並繞行地球。從現在開始的8~10年內，「歐幾里得」任務即將開始為科學家提供數據，但波爾馬特認為這些數據或許並不能為我們所期望的答案提供支持。他說：「如果經驗可以告訴你一切，那這些經驗也會帶來完全超乎你想像的東西。」

施密特指出，自17世紀牛頓提出引力理論之後，我們經歷了漫長的等待，終於，愛因斯坦的廣義相對論誕生了。「為了解釋宇宙常數存在的原因，我們需要另一個愛因斯坦——而我們只是不知道這樣的真知灼見何時才會出現。」他說，「也許明天，也許還要再等150年。」

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