宇宙正在加速膨脹，這一發(fā)現(xiàn)已經(jīng)于2011年使三位物理學(xué)家將一枚諾貝爾物理學(xué)獎收入囊中。主流觀點認為，暗能量就是導(dǎo)致宇宙加速膨脹的原因。然而，一些宇宙學(xué)家對此仍持懷疑態(tài)度。Keith Cooper在本文中回顧了支持和反對這一神秘現(xiàn)象的論證。
撰文 | Keith Cooper
翻譯 | 余其身
編輯 | 金莊維
宇宙在膨脹——這是自人類探測到源于宇宙微波背景（CMB）的微弱射電噪聲以來，最深刻的宇宙學(xué)發(fā)現(xiàn)。1998年，兩個研究團隊在激烈角逐中并駕齊驅(qū)，雙方都希望能夠率先測得宇宙的膨脹速率。最終，他們分別宣布了各自的結(jié)論，但兩邊的結(jié)論都指向一個出人意料的事實：宇宙的膨脹并沒有減緩，反而在加速。
這一發(fā)現(xiàn)讓兩個團隊的領(lǐng)軍人物摘得2011年諾貝爾物理學(xué)獎：High-Z超新星搜尋團隊（High-Z Supernova Search Team）的布萊恩·施密特（Brian Schmidt）和超新星宇宙學(xué)計劃（Supernova Cosmology Project）的薩爾·波爾馬特（Saul Perlmutter）。同時獲獎的還有施密特的隊友亞當·里斯（Adam Riess），他第一個將數(shù)據(jù)擬合成圖，并且發(fā)現(xiàn)了宇宙的異常行為。
目前就職于美國約翰·霍普金斯大學(xué)（John Hopkins University）的里斯承認，這個發(fā)現(xiàn)在當時“讓人恐懼”。他博士剛剛畢業(yè)，就被安排去擬合High-Z團隊一直在采集的超新星數(shù)據(jù)。
所有的Ia-型超新星——白矮星熱核爆炸的產(chǎn)物——都以非常相似的亮度和光度曲線爆炸，它們能夠被校準成為“標準燭光”。標準燭光可用于測量宇宙尺度上的距離，而通過將這些距離與超新星的紅移作比較，就可以知道宇宙膨脹有多快。里斯的結(jié)論是：數(shù)據(jù)表明宇宙正在加速膨脹——如此反常，以致他一度相信是自己搞錯了。
然而，當波爾馬特的團隊表示，他們發(fā)現(xiàn)了同樣的情況時，歷史就被創(chuàng)造了——兩篇突破性論文記載了宇宙加速膨脹這一歷史性發(fā)現(xiàn)——一篇由超新星宇宙學(xué)計劃團隊發(fā)表（Astrophys. J. 517 565），另一篇由High-Z團隊發(fā)表（Astron. J. 116 1009）。
為了解釋這一現(xiàn)象，物理學(xué)家復(fù)活了一個古老的概念：愛因斯坦的宇宙學(xué)常數(shù)。這個常數(shù)描述的是真空的能量密度——與之相隨的就是“暗能量”。“普朗克（Planck）”衛(wèi)星任務(wù)的最新測量表明，宇宙的組成包括大約68%的暗能量、5%的普通物質(zhì)和27%的暗物質(zhì)。然而，暗能量的確切本質(zhì)仍然是個謎。
宇宙從大爆炸開始就一直處于膨脹狀態(tài)，而且在最近的五六百萬年中，膨脹在加速。（圖源：NASA/WMAP Science Team）
正方論點
在發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹后的20年中，宇宙學(xué)取得了兩個主要進展。第一個觀點獨立證實了觀測到的加速膨脹是一種真實的效應(yīng)。證據(jù)來自多種渠道，其中最有力的是CMB中的重子聲學(xué)振蕩（BAOs）。
這種振蕩源自大爆炸之后38萬年內(nèi)的早期宇宙。當時的空間充滿等離子體，這片等離子海的密度足以令“聲波”在其中振蕩。這種聲波具有特征波長，還有峰和谷——在CMB中表現(xiàn)為“熱斑”和“冷斑”，也就是各向異性。億萬年來，在那些熱斑的位置，物質(zhì)凝聚為星系，其特征波長也隨著宇宙的膨脹而變長。今天，星系的平均分布反映了CMB中BAOs的大小。就像Ia-型超新星是“標準燭光”，BAOs是可用于測量宇宙膨脹的標準量尺。對BAOs的觀測支持宇宙膨脹正在加速這一發(fā)現(xiàn)。
宇宙加速膨脹的另一個證據(jù)在于空間本身的幾何性質(zhì)。CMB的結(jié)果表明，我們的宇宙是“平坦的”。在這種平坦的宇宙中，歐幾里得（Euclid）幾何學(xué)成立：如果將兩條平行線無限延伸，它們?nèi)杂肋h保持平行。然而在彎曲的宇宙中，延伸的平行線會發(fā)散或者相交。平坦宇宙擁有一個臨界質(zhì)量/能量密度，它要求在宇宙的全部質(zhì)量和能量中，68.3%由暗能量組成。這個比例也可以從CMB中聲波波峰的間距和大小推算出來。
里斯認為，過去20年中的另一個重大進展，是暗能量的狀態(tài)方程。該方程描述了暗能量的能量密度與壓強的比值。由于暗能量導(dǎo)致宇宙膨脹而不是收縮，科學(xué)家們認為暗能量具有負壓強，或者說“張力”，所以暗能量狀態(tài)方程的解是個負值。理論上，在由宇宙學(xué)常數(shù)主導(dǎo)的宇宙中，狀態(tài)方程的解是-1。但實際上，任何小于-1/3的解都會導(dǎo)致宇宙加速膨脹。
對我們的宇宙而言，狀態(tài)方程的解是-1±0.05。這個值正是由宇宙學(xué)常數(shù)主導(dǎo)的宇宙所應(yīng)有的，誤差在5%以內(nèi)。乍看起來，這似乎排除了宇宙學(xué)常數(shù)以外的其他備選方案，比如一種被稱為“精質(zhì)（quintessence）”的標量場。
在精質(zhì)模型中，暗能量隨時間和空間發(fā)生變化。但在宇宙學(xué)常數(shù)模型中，這個常數(shù)在整個宇宙中都是固定的，它意味著暗能量的強度處處相同。因為暗能量是空間本身的能量，所以隨著空間的膨脹，宇宙中的暗能量越來越多，導(dǎo)致宇宙的膨脹越來越快。如果不加以限制，這將導(dǎo)致宇宙最終面臨大撕裂（Big Tip）的命運——宇宙的結(jié)構(gòu)，也就是時空“網(wǎng)絡(luò)”被撕碎。
反方論點
故事就此結(jié)束了？未必。暗能量可能是一個變化極其緩慢的標量場，以致我們至今還無法探測到它的變化，因而表現(xiàn)得就像宇宙學(xué)常數(shù)。也有可能（悄悄地說），暗能量根本不存在。
科學(xué)家們對于宇宙加速膨脹這一觀測結(jié)果沒有異議，但是，大自然是否有可能在迷惑我們？里斯對此持開放態(tài)度：“我認為暗能量現(xiàn)象未必是真實的?！?/p>
問題之一在于，暗能量的理論預(yù)言強度與實驗觀測所得相差甚遠：量子場論的計算值比觀測值大了10120倍。如果暗能量的強度真有理論預(yù)測的那么大，宇宙空間的膨脹將非常迅速，以致原子之間相距太遠，無法聚集形成恒星和星系。顯然，我們的理論存在根本問題。
這一巨大的差異促使一些科學(xué)家考慮其他的可能性，有些還存在一定爭議。在我們開始研究新的可能性之前，認識到加速膨脹與暗能量之間的區(qū)別至關(guān)重要。前者是觀測結(jié)果，而后者僅僅是對前者的一種解釋。
任何理論解釋都必須考慮全部的觀測事實：超新星、BAOs、CMB及其聲波峰，還有星系團的生長。里斯對研究可靠性的判斷就遵循這一原則，他也因此卷入了一場公開爭論。
2016年，牛津大學(xué)（University of Oxford）的蘇比爾·薩卡爾（Subir Sarkar），哥本哈根大學(xué)玻爾研究所（Bohr Institute at the University of Copenhagen）的耶珀·尼爾森（Jeppe Nielsen）和都靈大學(xué)（University of Torino）的阿爾伯托·吉凡蒂（Alberto Guffanti）發(fā)表了一篇論文（Scientific Reports 6 35596）。他們基于對740個Ia-型超新星數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析認為，暗能量的證據(jù)沒有想象得那么充分。
里斯不認同他們的論證。“我認為這一工作具有嚴重缺陷，”他表示，薩卡爾等人進行的超新星數(shù)據(jù)分析是“不規(guī)范的（non-standard）”。事實上，勞倫斯伯克利國家實驗室的大衛(wèi)·魯賓（David Rubin）和布萊恩·海登（Brian Hayden）對薩卡爾等人的結(jié)果進行了重新分析（ApJL 833 L30）。他們的結(jié)果表明，薩卡爾及其合作者的分析存在錯誤。
然而，薩卡爾爭辯說，這種批評是“吹毛求疵”——他的團隊不僅采用了最大似然評估這種常用的統(tǒng)計方法，而且這種方法并未假設(shè)標準的Λ-CDM模型（暗能量-冷暗物質(zhì)模型）是正確的模型，所以是無偏差的。薩卡爾對標準宇宙學(xué)模型持懷疑態(tài)度，聲稱該模型“從未經(jīng)過嚴格的檢驗”。
里斯對薩卡爾等人工作的另一個批評是，該工作并未涵蓋來自諸如BAOs、CMB等支持加速膨脹的其他所有證據(jù)。“我不知道為什么所有其他正面證據(jù)都被忽略了。”里斯困惑地說道。
對此，薩卡爾舉出了一些有爭議的分析進行反駁。例如艾薩克·圖圖薩斯（Isaac Tutusaus）在2017年發(fā)表于《天文學(xué)和天體物理學(xué)》（Astronomy and Astrophysics）的一篇論文（602 10.1051/0004-6361/201630289）中聲稱，他沒有在BAO數(shù)據(jù)中得到宇宙加速膨脹的證據(jù)。
然而，宇宙學(xué)家仍然一致認為，BAOs是加速膨脹的確鑿證據(jù)。
巨大空洞
事實上，對暗能量存在性的挑戰(zhàn)經(jīng)常集中于我們最珍貴的宇宙學(xué)模型。宇宙學(xué)原理表明，宇宙中的物質(zhì)分布（在極大尺度上）是均勻且各向同性的。然而，在稍小的尺度上，物質(zhì)又是聚集成團的，形成星系和星系團。而這些星系和星系團又排布成為延伸至數(shù)百萬光年的纖維狀結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵的一點在于，這些宇宙中的最大結(jié)構(gòu)——比如斯隆長城（Sloan Great Wall）——并不受嚴格的引力束縛。在這些物質(zhì)“島”中間存在著巨大的空洞（voids），那里的物質(zhì)密度非常低。由于星系團和空洞區(qū)域的物質(zhì)密度差異很大，引力對空間膨脹的影響并非處處相同。
空間組成. 宇宙中的物質(zhì)分布呈現(xiàn)纖維狀結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了宇宙網(wǎng)（cosmic web）。如圖所示，這些纖維以暗物質(zhì)為主干（圖片來源于Illustris模擬）。纖維之間存在著宇宙空洞（cosmic voids），那些區(qū)域的物質(zhì)密度極低。一些科學(xué)家認為，這些空洞能夠影響我們對于宇宙膨脹的理解。（圖源：Markus Haider/Illustris Collaboration）
夏威夷大學(xué)（University of Hawaii）的伊什特萬·扎普迪（István Szapudi）認為，那個價值64000美元的問題不應(yīng)該是這些結(jié)構(gòu)是否影響宇宙的膨脹——“當然會影響”——而是，它對宇宙膨脹的影響有多大？（譯注：1955年美國的CBS曾經(jīng)制作出一檔名為《64000美元問題》（The $64000 Question）的節(jié)目，用高難度的各領(lǐng)域問題考驗參賽者，獎金不斷上升，最后一個問題則價值64000美元。）
2017年，扎普迪與人合作發(fā)表的一篇論文（MNRAS 469 L1）指出，Λ-CDM模型沒有考慮變化的結(jié)構(gòu)；當你穿越宇宙的時候，就會發(fā)現(xiàn)空洞和星系團在發(fā)生膨脹。
典型的宇宙膨脹模型是弗里德曼方程（Friedmann equation）的一個精確解。而弗里德曼方程是基于Friedmann-Lema?tre-Robertson-Walker（FLRW）度規(guī)的簡化版廣義相對論場方程，它描述了一個遵循宇宙學(xué)原理、空間曲率處處為零的膨脹宇宙。
然而，扎普迪及其合作者、布達佩斯羅蘭大學(xué)（E?tv?s Loránd University）的加博 ·拉克茲（Gábor Rácz）發(fā)現(xiàn)，采用他們的AvERA算法，模擬得到的宇宙膨脹速率并非處處相同，而是依賴于周圍結(jié)構(gòu)。由于宇宙主要由空洞構(gòu)成，那些區(qū)域的引力更低，宇宙膨脹也更快。所以，只有在把各處的不同膨脹速率進行平均后，結(jié)果看起來才是宇宙的膨脹正在加速。
需要考慮多大的尺度?
大衛(wèi)·威爾夏（David Wiltshire）的“時間景觀宇宙學(xué)（timescape cosmology）”是另一種頗具爭議的暗能量替代方案。這種方案同樣訴諸宇宙結(jié)構(gòu)，但采取了一條不同于扎普迪和拉克茲方法的道路。
在新西蘭的坎特伯雷大學(xué)（University of Canterbury）工作的威爾夏質(zhì)疑FLRW度規(guī)的正確性。令他特別不滿的一點在于，F(xiàn)LRW宇宙學(xué)只關(guān)心最大的宇宙尺度，忽略了對單個星系和星系團的粗?；╟oarse graininess）?！霸谑裁闯叨壬?，物質(zhì)與時空幾何通過愛因斯坦方程耦合？”他問道?！拔业拇鸢甘?，這種耦合優(yōu)先發(fā)生在小尺度上?！?/p>
在小于4.5億光年的尺度上，宇宙中充滿了空洞和星系團，它們影響著空間的物質(zhì)分布及膨脹速率。宇宙中最大的空洞橫貫1.6億光年，占據(jù)了可觀察宇宙總體積的40%。再加上所有更小尺度的空洞，它們占據(jù)了宇宙空間的一半以上。所以，空洞決定了整個宇宙看起來是如何膨脹的。
在時間景觀宇宙學(xué)理論中，處于空洞的時鐘比處于更致密區(qū)域的時鐘走得快（時間流逝更快）。由此，銀河系中的時鐘，比一個大空洞中的相同時鐘大約要慢35%。這樣算起來，自宇宙誕生以來，空洞中的時間比星系團中快了數(shù)十億年。而在那些額外的數(shù)十億年中，空洞中的空間將發(fā)生更多膨脹。由于宇宙空間中的大部分被空洞占據(jù)，因此將所有區(qū)域——包括空洞和星系團——的膨脹速率進行平均后，宇宙在整體看來就是加速膨脹的。
尚需檢驗
替代方案的確令人振奮，但是里斯并未準備偃旗息鼓，放棄對暗能量的研究?！俺怯腥四軌颡毩⒌刈C實暗能量不存在，否則我不會完全相信，”他說，“人們在看待問題時，都有自己的傾向性方式。但在這些（采取個人傾向性，認為暗能量不存在的）情況下，我還沒看見誰能夠重復(fù)他們所做的工作?！?/p>
時間景觀宇宙學(xué)目前面臨的一個問題是，它沒有暗能量模型成熟。威爾夏表示，他的團隊剛剛開始解決一個挑戰(zhàn)：如何在不假設(shè)FLRW度規(guī)的情況下減少BAO的數(shù)據(jù)量。初步結(jié)果具有一定的吸引力。
用CMB數(shù)據(jù)擬合聲波波峰的高度更為困難，因為這需要重新計算CMB上微小各向異性，也就是宇宙結(jié)構(gòu)“種子”的演化。如果要達到與采用FLRW度規(guī)相當?shù)木龋嬎阒芯托枰紤]“反作用（backreaction）”。
標準宇宙學(xué)假設(shè)，F(xiàn)LRW度規(guī)精確地描述了宇宙在任意大尺度上的平均生長。然而，對于時間景觀宇宙學(xué)中所描述的非均勻宇宙，情況便不再如此。即使對均勻的偏離很小，正如CMB所顯示的各向異性那樣（譯注：量級在10-5），這些非均勻偏差的平均生長，可能并不嚴格遵循只關(guān)心大尺度的弗里德曼方程。這些差異就被稱為反作用。
“之前沒有人考慮過極早期宇宙所處的等離子體中的反作用，”威爾夏說道，“恐怕也沒人打算解決這個棘手的問題，除非有人證明弗里德曼方程（在那些情況下）失效?！?/p>
不過，威爾夏對此有著自己的打算。歐洲太空局（European space agency）主導(dǎo)的“歐幾里德”（Euclid）任務(wù)，將于未來十年將探測器發(fā)射進入軌道，目標是研究暗物質(zhì)、暗能量和空間幾何。采用克里斯·克拉克森（Chris Clarkson）、布魯斯·巴西特（Bruce Bassett）和呂慧卿（Teresa Hui-Ching Lu）在2007年建立的方法，便能夠通過這項任務(wù)采集的數(shù)據(jù)，對FLRW度規(guī)進行檢驗。
具體而言，需要尋找的是哈勃常數(shù)（Hubble constant）與天體的光度距離之間的關(guān)系。哈勃常數(shù)是空間膨脹的度量，而光度距離顯示了天體的絕對星等與視星等之間的關(guān)系。哈勃常數(shù)與天體光度距離之間的關(guān)系只對空間曲率處處相同的宇宙成立，而這樣的宇宙正是弗里德曼方程所描述的。如果該檢驗支持FLRW度規(guī)，那么，時間景觀宇宙學(xué)就很可能是錯誤的。不過，如果觀測數(shù)據(jù)和FLRW度規(guī)下的理論預(yù)言有偏差，情況就將如威爾夏所愿：“那會是‘游戲’開始的信號?！?/p>
空間探測. 歐洲太空局的歐幾里得任務(wù)，將于未來十年將探測器發(fā)射進入軌道，目標是研究暗物質(zhì)、暗能量和空間幾何。（圖源：ESA/C Carreau）
哈勃常數(shù)不是常數(shù)？
哈勃常數(shù)是描述宇宙空間膨脹的基本物理量，但也常常引起物理學(xué)家的擔憂。
2016年，里斯帶領(lǐng)一個團隊對近域宇宙的哈勃常數(shù)進行了最為精確的測量，觀測對象還是20年前（發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹時）的“老搭檔”——Ia-型超新星。他們最初選擇的那些Ia-型超新星，所在的星系中也包含可見的造父變星——用于測量星際距離的另一個“量天尺”。里斯的團隊利用造父變星的光變周期得到的準確距離，來校準通過超新星測得的距離，并進一步將校準的方法應(yīng)用于300顆更遙遠星系中的Ia-型超新星，從而獲得準確的測量結(jié)果。（譯注： 由于亮度限制，造父變星一般用于準確測量鄰近星系的距離，遙遠的星系需要用Ia-型超新星進行測距。）
里斯團隊測得的哈勃常數(shù)是73km/s/Mpc。這也就是說，與觀測者的距離每增加一百萬秒差距（約326萬光年），宇宙的膨脹速率便增加73千米/秒。然而，這一近域宇宙中的測量結(jié)果與對極早期宇宙的觀測存在差距——歐洲太空局的普朗克衛(wèi)星任務(wù)測得的哈勃常數(shù)為67.3km/s/Mpc。
對此，里斯用人體的生長進行類比。醫(yī)生可以通過測量一個孩子的身高，將數(shù)據(jù)記錄下來并繪制成生長曲線圖，來預(yù)測這個孩子成年時會有多高。哈勃常數(shù)的近域測量結(jié)果相當于成年人的身高，而普朗克的結(jié)果就相當于這個成人在孩童時期的身高?！拔覀兊挠钪鎸W(xué)模型包括了暗能量和暗物質(zhì)的標準宇宙學(xué)模型，預(yù)測的是這個‘孩子’的最終身高，” 里斯說道，“但它看起來并不正確?！?/p>
我們應(yīng)該如何解釋兩種測量結(jié)果之間的差距？一種可能性是：我們關(guān)于早期宇宙的部分假設(shè)是錯誤的。也許暗物質(zhì)粒子不夠穩(wěn)定，與其他物質(zhì)發(fā)生的相互作用比預(yù)期更多，這將影響CMB的性質(zhì)。也可能在宇宙誕生的最初十億年間的某一刻，暗能量激增?！拔覀冋g盡腦汁，試圖找出其中的原因，”里斯說。
而扎普迪認為，這種差距可以解釋為標準 Λ-CDM模型與AvERA算法對宇宙膨脹進行描述時存在的細微差異。“如果沒有其他原因，那么根據(jù)我們的替代理論，這一矛盾可能是宇宙膨脹歷史與標準模型存在偏差的線索，”他說道，“這與理論細節(jié)無甚關(guān)聯(lián)，而是預(yù)示歐幾里德任務(wù)、寬視場紅外巡天望遠鏡（WFIRST）和大型綜合巡天望遠鏡（LSST）在將來描繪宇宙膨脹歷史的過程中，可能會收獲有趣的發(fā)現(xiàn)?！?/p>
大型綜合巡天望遠鏡（LSST）將以前所未有的精度對星系和超新星進行詳細觀測，改變我們對宇宙膨脹的理解。（圖源：LSST Project）
爭論依舊
毫無疑問，無論是宇宙學(xué)常數(shù)還是精質(zhì)模型，暗能量是擁有大量觀測證據(jù)支持的主流理論。其他替代方案都存在很大爭議。但是暗能量理論中的那些棘手的問題——比如10120這個巨大差異——并未消失。未來的觀測可能進一步鞏固暗能量理論的地位，也可能出人意料地將它徹底推翻。
2018年，“暗能量巡天（Dark Energy Survey）”發(fā)布了來自3億星系的首批數(shù)據(jù)。這個國際合作項目在智利托洛洛山美洲際天文臺（Cerro Tololo inter-American Observatory）的4米口徑的布蘭柯（Blanco）望遠鏡上，裝備了570兆像素的照相機DECam，用于暗能量觀測。隨著這些數(shù)據(jù)的發(fā)布，我們將要迎來激動人心的時刻。
“讓這一領(lǐng)域變得真正有趣的是，我不知道下一次飛躍將是什么。” 里斯總結(jié)道，“我們尚處于初步探索的階段，不必驚訝于任何意料之外的發(fā)現(xiàn)。”
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文章頭圖及封面圖片來源：physics world
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