暗能量究竟是什么

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  1988年对宇宙学来说也许是一个重要时刻。天文界在观测遥远的超新星时发现宇宙在加速膨胀,这正好与现行理论的预期相反。那么,是什么东西把众星系相互推开呢?答案是暗能量。 研究者对暗能量的解释主要有三种:最流行的说法是宇宙学常数,它是广义相对论方程中额外的一项,代表一种反引力吸引的斥力。爱因斯坦引入此项,是为了使这演化着的宇宙处于既不膨胀也不收缩的状态。此后,当哈勃发现宇宙在膨胀时,爱因斯坦宣称,这一项“是他一生中最大的工业失误”。可如今,这一宇宙学常数反过来成为时尚。
  另一种解释称,宇宙中充满着名为“精华”的场。50亿年前,其场压转为负,引起宇宙加速膨胀。变色龙粒子类似于“精华”,但重要之处在于它跟物质能相互作用,并且易于测得。
  还有一种解释在本质上是否定暗能量的。其非均匀模型(又称瑞士奶酪宇宙)认为宇宙加速膨胀是一种光学假象,是因宇宙物质分布不平衡所引起的。
  研究者认为,最值得探索的是变色龙粒子,那倒不是因为它看上去最合理,而是因为它具有可测性。
  宇宙学家说,约在50亿年前,宇宙膨胀开始加速。现在我们不能确知这是出于何种原因,但通常把弥漫于空间的暗能量看做是肇事者,它的存在明显地把众星系有力推开。可是它从未被观测到过,或者在实验室内产生过,它似乎不跟地球上(或其他地方)的物质和光线进行相互作用。如此不可探测岂非违背了科学的本质?
  也许我们疏忽了早就来到的证据。如果我们把最近天体物理观察中的矛盾联系起来,便可能引申出一个惊人的结论:即宇宙经受着一个第五种力,它在经典的引力、电磁力和强、弱核力之外。此力不同寻常,其力程随周围环境的不同而变化,故称之为宇宙的“变色龙”,十分适于解释暗能量的奥秘。
  这第五种力的基本要领是J.霍里和A.惠特曼于2004年提出,此后,哥伦比亚大学的著名弦理论家B.格林恩也参与研究。弦论跟传统的物理理论不同,它是建立在11维的基础上的,其中的7维据说缩到很微小,以致无法为我们所观测。但该理论能把引力跟其他三种力在量子力学的框架内联合起来,而其他理论却很难做到。若第五种力存在的话,必将在这些卷缩的维中产生骚动,而能被处在4维时空中的我们所感知。霍里和惠特曼提出了一种测试方法,他们认为这一额外的力为某种粒子所传递,其质量依赖于周围区域的物质密度,这样,这一效应在地球上可能被遮盖了。
  这里须从力程淡起。在量子论中,力程在很大程度上依赖于产生此力的粒子,粒子越轻力程越长。例如,电磁场产生光子,它无质量,故电磁力的力程是无限的;又如传递核弱力的粒子,其质量极大,跑不远,其力程仅限于原子核的微小范围之内;至于核强力,情况较复杂,其相关粒子是胶子,虽然也没有质量,但它们自身之间能相互作用,阻碍了力的远程传递。
  据霍里和惠特曼的观测,地面上空的物质密度很高,约为0.59克/立方厘米。在这种隋况下,变色龙粒子的质量约是中子的10-9,其力程不会超过1毫米。如此之短,故在实验室内未曾探测到此效应。 而在宽广的宇宙空间,那里每立方厘米内所含的物质平均约为10-29。变色龙粒子的质量急跌22个数量级,产生出巨大的力,其作用距离超过几百万光年。而该粒子失去的质量,则被变色龙场作为能量所吸收。
  惠特曼说,变色龙粒子可能在宏观尺度上产生某种负压,与引力相反,造成一种斥力;由于其质量依赖于环境的物质密度,变色龙力可能在50亿年前出现,那时膨胀宇宙的密度下降到某一临界值,该力在日益加大的速率上将星系相互推开。我们在更宽广的宇宙范围中去观察,就能看到一种加速膨胀,而在地球上这一真相始终被掩盖着。
  不过现在看来,这仅仅又是一种暗能量的解释而已。霍里看得更深一些,他说:“关于暗的部分,其潜在的物理学我们知之甚少。”因此他认为,最重要的事情是可探测或实验。而变色龙(粒子)理论的优点正是在这里。
  按霍里和惠特曼的理论,变色龙粒子将通过某种特殊的途径跟光线和物质相互作用。首先,一个在较强磁场中的光子偶尔会衰变成一个变色龙粒子,并又会变回成光子。这种粒子间的来回变换可以改变电磁场的强度,并且可由一个称之为精细结构常数(或α)的量来确定。
  我们知道,遥远星系通过巨大距离奔向我们,其经过的空间具有低密度和强磁场特征,而这些正是光子衰变成变色龙粒子的理想地方。那么,α变化正是我们期待的效应。
  不少著名科学家测量了具有宏观尺度的领域,观测其星光谱的变化,结果α值皆有减小。例如,2010年6月,印度射电天体物理学国家研究中心的K.开尼卡等人,测量了来自29亿光年之外的分子气云的光谱,表明其α值约低3×10-6。天体物理学家D.肖说:“若这些变化是真实的,似乎不用变色龙粒子很难解释。”
  测定α的变化并非是证实变色龙粒子效应的唯一方法。若一个光子能跟变色龙粒子来回变换,那么当光线通过变色龙力强的区域时,光线将产生极化并留下印记。在德国汉堡电子同步加速器工作的肖和C.巴雷西观测到,一些来自银河系另一侧星光的极化度达到2%。虽然这可由星际尘埃来解释,但还有别的因素。巴雷西说:“我们发现变色龙粒子的一个可能线索。”  B.拜塞克认为,光子一变色龙粒子的转换机制也可以解释宇宙年龄上的一个重要差异。2003年,瑞士日内瓦大学的M.康兹、南非天体物理天文台和开普敦大学的B.拜塞克精密地测量了宇宙微波背景辐射(这是大爆炸的余尽辐射),得出宇宙年龄为136亿年,这也是广为引用的一个数据;但其他二种测量方法却得出不同的数值:从校对超新星距离的标准密度中,得出的宇宙年龄为131亿年,而测量标准尺度的射电星系所取得的数值却为143亿年。
  这几种测量方法皆含有不确定性,它们产生的差异概率大致上为5%。巴雷西如此说,而拜塞克提出另一种看法:在高磁场环境中产生的变色龙粒子在奔向我们的途中将因振荡而变成光子,因此,超新星将比我们预期得更亮,这就意味着超新星实际上比我们观测到的更远,这反过来就加大了我们使用此法所得出的宇宙年龄。巴雷西同意说:“若此效应为真,那就将是一个很自然的解释。”
  根据霍里和惠特曼的计算,关于变色龙粒子的直接证据可能就潜伏在我们近旁。那么怎样去探测呢?其实验思路是这样的:在不同物质密度的区域中进行小型物质质量测试。例如,法国空间望远镜计划将于2012年发射,它将测量自由落体的加速度。若变色龙理论正确,那么空间探测应该看到物体在地球上空某些距离上,其加速度将略大于我们预期的,即略大于它们从地球引力场中落下时的加速度。
  最终,关于变色龙力最具说服力的证据可能就在我们地球上找到。变色龙粒子本来是为第五种力而设置的,如果今天我们按变色龙粒子的特性来设计实验,那么就极有可能被测到。2010年6月,肖和其同事在一篇论文中说:将一块板平行置放,并抽去二板间的空气,然后测二板间的力。按常规的看法,此力应仅依赖于密度,若有变色龙力介入,在如此低密度的情况下应该测得一个额外的吸引力。
  另一个方法是费米实验室设计的实验,也可能测到变色龙粒子。研究人员让一条激光射束穿过一个带玻窗的腔体,历时5小时后关闭激光束。若变色龙理论正确,那么一些光子将振荡变成变色龙粒子,后者将被玻窗弹回,而不是透过它;一些变色龙粒子将振荡变回光子而穿出玻窗,造成可见的余光。不过迄今该实验未看到任何东西,但排除了一些有关变色龙粒子的可能质量。肖说,上述这些实验还有待改进。
  在下一个十年中,变色龙理论将为人们所接受或排除。与此相对应的是,对暗能量之谜能在不久的任何时刻得出可能的答案,并且可进行直接实验、测试的希望极小。不过这些研究者说,迄今就变色龙粒子而言,暗示要多于坚实的证据,但这一理论是很值得研究的。
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