暗物質和暗能量
寫于廣義相對論 100 周年
科學家們探索物質結構，追溯世界本源，提出了許多假說，建立了種種模型。從古希臘的原子論、中國古代的五行說，到現(xiàn)代物理理論中的行星模型、電子云模型、夸克模型。從門捷列夫發(fā)現(xiàn)的元素周期表，到標準模型中的基本粒子表。人類自認為對宇宙中的“所有”物質的各個層次，已經(jīng)了解得差不多了。然而，天文觀測的最新結果給了我們當頭一棒。物理學家們忙乎了一大陣子之后，不久前才發(fā)現(xiàn)，原來我們所研究分類的所謂“物質”，只占宇宙中整個構成成分中的百分之五都不到。其余的百分之九十五是些什么呢？是我們看不見摸不著的“暗貨”，科學家們將它們稱作“暗物質和暗能量”。
圖 1 所示的是 2013 年普朗克衛(wèi)星給出的數(shù)據(jù)，在我們觀測所及的宇宙中，人類有所認識的通常物質，包括由原子分子構成的物質、光波、中微子、各種介子等在內(nèi)，大約只占
4.9%，另外有大約四分之一（26.8%），是一種至今我們尚未弄清楚其結構和性質的“暗物質”。更不可思議的是，其余剩下的 68.3%，連物質都談不上，是某種無孔不入無處不在的所謂“暗能量”。
暗物質和暗能量，不像普通物質那樣對光波或者電磁波有所反應。我們平時熟悉的普通物質，無論藏身何處，燈光一照便現(xiàn)出原形。即使是普通的燈光照不見，人類還掌握了紫外線、紅外線、x 射線、伽馬射線、各種頻率的無線電波，種種的現(xiàn)代科技探測手段。但是，暗物質和暗能量，似乎對這些“光”都完全無動于衷。
既然我們不能看見“暗物質”和“暗能量”，又如何知道它們的確存在呢？這是因為它們具有萬有引力作用，它們逃過了光波的追蹤，卻逃不過引力的束縛。
1. 引力之謎
現(xiàn)代物理學認為，宇宙中存在 4 種基本相互作用：電磁力、引力、強相互作用、弱相互作用。電磁力是我們所熟知的，強弱相互作用是短程力，只在極短的、小于原子尺度的微觀范圍內(nèi)起作用。目前，這三種力都可以用理論物理中的“標準模型”來描述。只有人類早就認識了的引力，看起來歷史最古老，我們對它的本質卻知之甚少。
雖然引力的本質至今仍然是個謎，它與其它作用之統(tǒng)一也似乎遙遙無期，但它的理論和兩位大師的名字緊密相連：牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，愛因斯坦的廣義相對論則將引力和時空的幾何性質聯(lián)系在一起。
100 年前，1915 年 11 月 25 日，愛因斯坦向柏林普魯士科學院提交了一篇題為“引力場方程”的論文，憑借這篇劃時代的文章，他愉快地向全世界宣告了廣義相對論的誕生。
廣義相對論的中心思想可用著名物理學家約翰·惠勒（John Archibald Wheeler，1911 年-2008 年）的名言來概括：
“物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何運動”。
這句話的意思是說，因為物質的存在，時空是彎曲的，而因為時空的彎曲，又影響到物質的運動。這句話也說明了廣義相對論與牛頓引力理論之不同。比如說，太陽附近的其它小天體（圖 2a 中的小球）將朝著太陽所在的位置移動。如何解釋小天體的這種運動呢？牛頓的經(jīng)典引力理論說：因為小天體被太陽施加的萬有引力所吸引。而按照廣義相對論的解釋，是因為太陽的巨大質量使得它周圍的時空彎曲，小天體按照時空的彎曲軌道運動而已。就像一個放在橡皮筋彈性網(wǎng)上的鉛球，它的重量使網(wǎng)格下陷，如圖 2a 所示。網(wǎng)格下陷影響到附近小球的運動，使小球“自然地”滾向了鉛球所在的位置。
試想一下，如果橡皮筋網(wǎng)上鉛球的重量增加，網(wǎng)格的彎曲變形程度也會增加，如果鉛球太重了，橡皮筋網(wǎng)可能被撐破，形成一個洞，小球掉入洞中再也撿不起來，這在引力場的情形，便相當于引力塌縮形成黑洞，如圖 2b 所示。
愛因斯坦和牛頓的引力理論，不僅僅需用不同的幾何圖景來詮釋，計算結果也有很大差異。比如說，兩個理論都預言光線彎曲，但牛頓理論計算的結果僅為廣義相對論的一半，實驗值與愛因斯坦理論精確地符合。一百年來，廣義相對論的所有預言都已經(jīng)被大量的實驗和天文觀測資料所證實。諸如時間膨脹、光波頻率紅移、時間延遲等引力效應均被檢驗和證實。實驗資料充分，理論光彩依舊。廣義相對論已經(jīng)成為天體物理和宇宙學研究必不可少的理論基礎。
廣義相對論所描述的時空彎曲等現(xiàn)象，只在宇宙中天體及星系運動的大尺度范圍內(nèi)，才有明顯的觀測效應。近年來，因為科學技術的進步，觀測方法的改進，宇宙學中的大爆炸理論，黑洞物理，宇宙膨脹，這些與廣義相對論密切相關的領域，蓬勃發(fā)展，日新月異，成果不斷，它們既為證實廣義相對論提供了數(shù)據(jù)，也向現(xiàn)有物理理論提出了許多新的問題和挑戰(zhàn)，暗物質和暗能量就是其中之一。
2. 暗物質
暗物質的說法早已有之，最新觀測數(shù)據(jù)只是再次證實它們的存在而已。早在 1932 年，暗物質就由荷蘭天文學家揚·奧爾特提出來了。著名天文學家茲威基在 1933 年在他對星系團的研究中，推論出暗物質的存在。
弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky，1898 年－1974 年），是一直在加州理工學院工作的瑞士天文學家，他對超新星及星系團等方面作出了杰出的貢獻。茲威基對搜捕超新星情有獨鐘，他是“個人發(fā)現(xiàn)超新星”的冠軍，進行了長達 52 年的追尋，總共發(fā)現(xiàn)了 120 顆超新星。
茲威基在推算星系團平均質量時，發(fā)現(xiàn)獲得的數(shù)值遠遠大于從光度得到的數(shù)值，有時相差上百倍。因而，他推斷星系團中的絕大部分的物質是漆黑看不見的，也就是如今所說的“暗物質”。
暗物質存在的最有力證據(jù)有兩點，一是 “星系自轉問題”。二是引力透鏡效應。
星系自轉問題，是由美國女天文學家薇拉·魯賓（Vera Rubin，1928 年-）觀測星系時首先發(fā)現(xiàn)和研究的。她在研究星系自轉速度曲線時發(fā)現(xiàn)，星系中遠處恒星具有的速度要比理論預期值大很多。恒星的速度越大，拉住它所需要的引力就越大，這更大的引力是哪兒來的呢？人們假設，這份額外的引力就是來自于星系中的暗物質。
天文學家在研究我們自己所在的銀河系時，也發(fā)現(xiàn)它的外部區(qū)域存在大量暗物質。
銀河系的形狀像一個大磁盤，對可見物質的觀察表明其大小約為 10 萬光年。根據(jù)引力理論，靠近星系中心的恒星，應該移動得比邊緣的星體更快。然而，天文測量發(fā)現(xiàn)，位于內(nèi)部或邊緣的恒星，以大約相同的速度繞著銀河系中心旋轉。這表明銀河系的外盤存在大量的暗物質。這些暗物質形成一個半徑是明亮光環(huán) 10 倍左右的巨大“暗環(huán)”。
暗物質的引力作用也符合廣義相對論，因而能造成時空的彎曲。光線透過彎曲的時空后會偏轉，類似于光線在透鏡中的“折射”現(xiàn)象。根據(jù)這個原理，愛因斯坦最先提出了“引力透鏡”的設想，因而有人將它們稱為“愛因斯坦的望遠鏡”。茲威基在 1937 年曾經(jīng)指出，有暗物質的星系團可以做為實現(xiàn)引力透鏡的最好媒介?？上攵奢^為均勻分布散開在星系中的暗物質形成的透鏡，肯定要比密集的星體形成的透鏡“質量”好得多，見圖 3。不過，直到 1979 年，這種引力透鏡的效應才在天文觀測中獲得證實。
也就是說，暗物質對光線沒有直接反映，既不吸收也不發(fā)射，這點表明它們不能被看見的“暗”性質。但是，暗物質卻能通過引力效應，間接影響到光的傳播，使光線彎曲，成為引力透鏡的“介質”。
眾所周知，望遠鏡的發(fā)明對天文觀測十分重要，因為人眼觀測的范圍極度有限。可誰也沒有想到，大自然早就造好了許多天文尺寸的望遠鏡。它們赫然掛在黑暗的天邊，等待人類去使用它們。那就是剛才描述的“愛因斯坦的望遠鏡”。
暗物質形成的引力透鏡，天文學家們能用它們做些什么呢？應該可以有兩個方向的用途：研究背景天體和中間天體。背景源就像一個手電筒，既能照亮中間物體，又能傳過來自身的信息。目前應用最廣的，便是從分析背景光源的扭曲，研究中間做為“透鏡”的引力場的性質，也就是研究其中暗物質的性質和分布情況。
進一步來說，引力透鏡還可以真正發(fā)揮其“望遠”“放大”的功能，從而擴大人類的眼界，幫助天文學家們觀望遙遠的星系。對遙遠星系的觀測有助于研究宇宙的演化情形，因為我們接收到的，是這些星系若干年之前發(fā)出來的光線。某種意義上說，觀察遙遠星系就觀察到了宇宙的一部分“過去”。比如說，根據(jù)大爆炸模型，宇宙起始于 137 億年之前。那么，
如果觀察距離我們 100 億光年遠處的天體，實際上看到的是該天體 100 億年之前的景象，那不就是宇宙 37 億歲時候的部分情況么。
3. 暗能量
讀者可能會說：就算你剛才說的天文觀測資料證實了宇宙中除了看得見的星體之外，還有暗物質，你又怎么能夠知道暗物質有多少呢？更奇怪的是還有暗能量又是哪里來的？比如說在圖 1 中各種成分的比例中，暗能量的比例也列在那兒。普朗克衛(wèi)星是如何得到這些數(shù)值的？
這確實是一個有意思的問題。想想平時是如何得到各種物質材料質量之比的，我們使用的是天平或者“秤”?？墒?，普朗克衛(wèi)星又不能把天體拿到“秤”上去稱，它報告的物質比例從何而來呢？
首先，簡單地說，暗能量來源于宇宙加速膨脹的事實。
在天文學中估算天體質量時，人們利用的是在引力理論基礎上建立的各種數(shù)學模型，無論是行星、恒星、星系，以及各種天文現(xiàn)象，都有其相應的數(shù)學模型。這些模型，便是“稱量”宇宙的秤。數(shù)學模型中有許多未知的參數(shù)，需要由天文觀測的數(shù)據(jù)來決定。普朗克衛(wèi)星主要是通過測量微波背景輻射中的細微部分來獲得這些參數(shù)，然后，研究人員將這些數(shù)據(jù)送入計算機，解出數(shù)學模型，最后得到各種成分之比例。
這是一個相當復雜的過程，包括了很多物理理論、數(shù)學知識、計算技術、工程設計等等方面的知識。就物理概念的大框架來說，科學家們大概用如下方法估計這個比例。
從觀測星系的恒星旋轉速度與引力理論計算之差距，還有以星系作為引力透鏡的效果，可以計算該星系中暗物質相對于正常物質的比值。普朗克衛(wèi)星可以巡視整個可見宇宙中所有的星系，因而可以估計出整個宇宙中暗物質相對于正常物質的比值。天文學家早有方法計算宇宙中“明”物質的總質量。然后，從“明暗”物質的比例便能算出宇宙中暗物質的總質量。
從宇宙學的角度，天文學家有兩種方法估計“宇宙的總質量”。一是從宇宙膨脹的速度和加速度，二是根據(jù)宇宙的整體彎曲情況。
根據(jù)廣義相對論的結論，在大質量天體附近，時空是彎曲的，那是時空的局部性質。廣義相對論的應用也可以擴大到研究宇宙的整體形態(tài)。局部和整體的差別從圖 4a 中的莫比烏斯帶和平凡柱面的例子中一目了然。局部而言，兩種情形都是“平坦”的，但兩種幾何形狀的整體拓撲卻迥然不同。圖 4b 則給出了宇宙作為一個整體時的三種可能彎曲形態(tài)。
宇宙學研究宇宙的大尺度結構和形態(tài)，用來估算宇宙作為一個整體的曲率和形狀：宇宙是開的，還是閉的？是像圖 4b 中的球面？馬鞍面？還是更像平面？這個整體模型涉及到一
個“臨界質量”。如果宇宙的總質量大于臨界質量，比較大的引力效應使得宇宙的整體形狀成為球面；如果宇宙的總質量小于臨界質量，引力效應更弱一些，宇宙的整體形狀是馬鞍面；如果宇宙的總質量等于臨界質量，則對應于整體平坦的宇宙。
根據(jù)宇宙學得到的天文觀測資料，宇宙在大尺度范圍內(nèi)是平坦的，說明宇宙的總質量大約等于臨界質量。
但是，從宇宙加速膨脹得到的宇宙總質量，或者考慮平坦宇宙應該具有的臨界質量，都大大超過觀測所估計的“明暗物質”之總和。物理學家提出的“暗能量”，便是為了解釋這個宇宙組成中所缺失的大部分。如此便有了圖 1 中所畫的比例圖。
既然提出暗能量的假說，那么，至少總要根據(jù)理論的需要描述一下它是個什么玩意兒吧。
暗能量像是存在于宇宙中的一種均勻的背景，在宇宙的大范圍中起斥力作用，加速宇宙的膨脹，但是，又不能嚴格地說它是一種斥力，因此，只能稱其為能量。而在現(xiàn)在的物理理論中，也不見具有如此秉性的“能量”，因而稱其為“暗能量”。
天文學家用暗能量來解釋宇宙加速膨脹及宇宙整體平坦的觀測事實。而暗能量作為一種物理實在，其本質又如何解釋呢？對此又有兩種說法：一是認為其是彌漫于宇宙中的某種標量場，二是認為它類似某種“真空能”，真空不空，且具有能量，但人們很難探測到它的存在。
第二種說法實際上與愛因斯坦在引力場方程中引入的“宇宙常數(shù)”有關。廣義相對論與其他物理理論類似，數(shù)學模型用微分方程表示，根據(jù)已知條件求出方程的解。引力場方程是聯(lián)系物質分布與時空幾何的方程，已知條件是空間中的物質分布，方程的解則是時空的幾何。當初愛因斯坦提出廣義相對論時，物理界普遍認為宇宙是整體靜態(tài)的，即既不膨脹也不收縮。愛因斯坦在他的方程中加上了“宇宙常數(shù)”一項，其目的是用以維持一個靜止宇宙的圖景。
之后，哈勃證實了宇宙不是靜止的，而是在不斷地膨脹，這個觀測結果使得愛因斯坦懊惱不已，為引入了那個宇宙常數(shù)耿耿于懷，要將“宇宙常數(shù)”收回去，認為是自己所犯的“最大的錯誤”。再后來，到了愛因斯坦早已去世的 1998 年，天文學家又證實了宇宙不但在膨脹，還是加速膨脹。為了解釋加速膨脹，為了解釋暗能量，天文學家和物理學家又把愛因斯坦丟棄的宇宙常數(shù)，當寶貝一樣撿了回來。不知道如果愛因斯坦在天之靈，聽到這個意外的消息，將作何表情？
4. 暗物質和暗能量的拉鋸戰(zhàn)
因為都是“暗貨”，人們經(jīng)常將暗物質和暗能量混淆。并且，根據(jù)愛因斯坦的質能關系式：E=mc2，質量和能量可以看作是物質同一屬性的兩個方面，那么，為什么還要將兩種暗貨區(qū)別開來呢？其中原因很難說清，基本上還是因為我們尚未明白它們到底是什么？
兩種暗貨在宇宙中的具體表現(xiàn)大不相同。也就是說，暗物質和暗能量兩個概念在本質上有所區(qū)別。雖然他們也許有關系，什么關系，沒人知道。人們知道更多的是兩者之不同。暗物質吸引，暗能量排斥。暗物質的引力作用與一般普通物質之間的引力一樣，使得它們彼此向內(nèi)拉，而暗能量卻推動天體互相向外分離。暗物質的影響表現(xiàn)于個別星系，而暗能量僅僅在整個宇宙尺度起作用?？梢匀绱丝偨Y宇宙不同成分的作用：宇宙由明物質和暗物質組成，因暗能量而彼此分開。
宇宙中各種成分的比例，并非一成不變的。除了因為不同地點、不同衛(wèi)星、不同年代，提供不同數(shù)據(jù)而算出不同比值的人為差距之外，理論模型還預言該比值在大時間范圍內(nèi)的變化，如圖 5 所示。
圖 5 中可見，暗質量增加宇宙中的質量，使得天體互相拉近，圖中將它們的作用比喻為
向下拉的彈簧。而暗能量在圖中被比喻為升空的氣球，欲將控制宇宙大小之“彈簧”拉長，
使得其間的天體互相分離。這兩種作用不停地進行這種“拉鋸戰(zhàn)”。圖 5 中分別形象地表示出了 90 億年前、50 億年前，以及現(xiàn)在的宇宙大小及兩種作用的大小。
盡管我們還不知道暗物質究竟由什么構成，也不清楚暗能量的作用機制，但通過天文觀測的結果，對它們有所認識。比如說，天文學家們可以模擬暗物質的引力效應，研究它們?nèi)绾斡绊懫胀ㄎ镔|，得出暗物質一般來說，運動速度大大小于光速的結論。構成暗物質的粒子應該是電中性的，也許具有很大的質量。
2015 年初，暗貨領域又傳來了與我們過去認識有所不同的新消息，暗貨添加了新內(nèi)容，除了暗物質和暗能量之外，可能還有一種未知的暗相互作用，由某種“暗光子”傳遞？如此推論下去，也許暗物質是由數(shù)種粒子組成的，它們會相互作用，組成暗原子、暗分子甚至暗星系？一個暗世界？然而，這些都還只是假說和推測，我們等待著更多的實驗和觀測。
也有可能，我們的理論出了問題，廣義相對論在宇宙學的大尺度下需要修正？總之，有關暗能量和暗物質，還有很多未解之謎，科學家們?nèi)栽诶^續(xù)努力。可以說，對暗物質和暗能量的探索和解釋是對 21 世紀物理學最嚴峻的挑戰(zhàn)！
原文PDF：http://interesting-sky.china-vo.org/interesting-sky/astronomical-database/zhangtianrong.pdf
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