探测空间的基本单元

陈壮叔

20世纪20年代，美国天文学家哈勃在观测远方星系时发现它们都在退行，即离我们而去。这说明宇宙在膨胀。这是一个重大的发现，是宇宙大爆炸学说的一个重要观测证据。

人们一直以为，因为引力作用，宇宙膨胀的速度应逐渐放缓，可是20世纪90年代末对超新星的观测表明，膨胀在加速。科学界认为，这是因为宇宙中存在一种过去未被发现的暗能量，它不可见，弥散分布，具有排斥的特性。2003年，威尔金森微波各向异性探测器公布了它对宇宙微波背景辐射的精确探测，证实宇宙中含4%的可见物质、23%的暗物质和73%的暗能量。

此时人们想到了爱因斯坦所说的自己所犯的“最大的错误”——宇宙常数。在爱因斯坦提出广义相对论时，科学界的哲学思想普遍认为，宇宙应该处在恒稳定之中。爱因斯坦之所以引入宇宙常数，是想以此来抵消宇宙的膨胀，保持宇宙的恒定不变。因此，当哈勃发现宇宙确实在膨胀时，爱因斯坦承认自己失误了。然而，这个常数现在倒是派上了用场，正好把它当成暗能量。但事情真的如此简单吗？

人们通常把弥散于空间中的暗能量视为肇事者，是因为它的存在把众星系明显地推开，而且它从未被观测到，也未在实验室内产生过，因为它从不与光发生相互作用。

关于这一现象，目前的观点很多，这里仅选择其中的一种。这个观点认为，宇宙中充满着所谓的“精华场”，而“精华场”对应的粒子则被称为变色龙粒子。约50亿年前，其场压转为负值，引起宇宙加速膨胀。研究者之所以选择这一理论，是因为它可以跟物质相互作用，也就可以在实验室里找到它。

宇宙学家由此提出，还有第五种自然力的存在（通常认为是四种，即电磁力、强核力、弱核力以及引力），其力程随周围环境的不同而改变，故称之为“变色龙”。量子理论告诉我们，粒子的力程取决于该粒子的质量。例如，电磁场产生的光子没有质量，故其力程是无限的。根据霍里和惠特曼等人的观测，地面上空的物质密度约为0.59克/立方厘米，而变色龙粒子的质量约为中子的10-9，其力程不会超过1毫米。但在宇宙空间，物质密度约为10-29克/立方厘米，变色龙粒子的质量直跌22个数量级，其力程可以超过几百万光年。

霍里等人认为，最重要的是进行实验验证。由于变色龙粒子的第五种力是理论家推测得出的，如果按这种思路来设计实验，取得成功的可能性是极大的。

一晃5年过去了，霍里观点的支持者最近可能要发力了。

2014年8月，全球宇宙学家在芝加哥召开大型会议（COSMO），讨论粒子物理和宇宙学的问题。

会议上，科学家首先围绕两种力展开了争论，它们都可能把宇宙拆散。一种是暴胀，它出现在大爆炸后的瞬间，使宇宙以幂级数快速膨胀（幸好它很快结束，才有我们今日之宇宙）；另一种就是暗能量，它在使宇宙加速膨胀。

2014年3月，BICEP2团队在宇宙微波背景上测得了图谱，并认为它可以证实的确发生过一次暴胀。但会上的科学家认为，这一结果有待进一步证实，因为星系尘埃对微波信号的碰撞也会产生类似的图谱。果然，在将这一图谱与“普朗克”在同一天区获得的数据做了叠加分析后，2015年1月，BICEP2团队宣布撤回他们的论文。

会议很快转到暗能量的议题上。暗能量是因理论需要而提出的概念，它可以产生一种反引力（斥力），能够解释目前观测到的加速膨胀。但对其性质，我们可以说是一无所知。

令COSMO感到欣慰的是，有关暗能量的最新研究可能表明，膨胀是一种时空本身的基本性质。

变色龙的遮蔽

许多科学家认为，暗能量是用反引力把宇宙推开的。若果真如此，为何人们在实验室内从未见过它？一种假设是，这个反引力仅适用于近真空的环境，在真空中它才会发挥作用。而我们太阳系的空间具有较大的物质密度，这个反引力被屏蔽了。

现在，C.巴策及和其同事已在实验室内进行测试，寻找这种变色龙力。

巴策及说，如果暗能量效应（即变色龙力）只有在宇宙真空中才能被感觉到，那么同样的效应也有可能在一个真空室内呈现出来。这个真空实验室是这样的：室内有一个稳定的小球和含1000颗原子的云层。

巴氏小组打算用激光将真空室内的原子推动1毫米。当这些原子运动时，它们将受到地球引力的拉力和小球的拉力。这个实验可以测出究竟是什么力在影响它们。因为这些原子的路径将受到干扰，并在它们的最终量子态上表现出来。

这个实验现在还没有开始，巴氏小组希望美国国防部的量子GPS系统能够提供一个特殊激光器。

不过，话说回来，即使找到变色龙力，也并不意味着已找到暗能量，但这将解释我们在局部空间中探测暗能量的尝试为何失败。同时，也证明了屏蔽机制。

时空的量子

一项在芝加哥郊外小屋中进行的实验可能说明，暗能量是一种简单的时空特性，十分类似于水分子相互作用时其行为在流体力学上的表现。

巴氏实验的参与者霍鲁米塔说，他们是在找时空的基本单位——“Jetter”。它的体积可能只是质子的10-18。在量子尺度上，这些时空小微点的行为更像波而不是粒子。

这个理论说，构成空间的是波而不是点，万物皆处在微微的振动之中，而不是固定在那里。芝加哥大学的克雷格·霍根目前正在做实验，尝试根据霍鲁米塔的设计测量Jetter。

他们让两条强激光束穿过长40米的管道，管中悬挂着许多小镜面。激光将测量沿路的镜面位置。若时空是平滑的，并表明无量子行为，那么镜面将完全处在平静状态；若两条激光测得的镜面位置具有同一个小差异，就意味着镜面处在空间织物的起伏之中，被微微地摇晃着。

霍根说，从这一思想再跨出一步，时空的量子态跟物质可能是相互纠缠的，因此你无法在不影响那个的情况下测量这个。

现在，我们最好的理论是用几何学来描述时空，而用量子场来研究物质。科学界正为把这二者结合起来而努力。霍根说，若霍鲁米塔能在实验中看到一些东西，将有助于达成这一目标。在微观尺度上，这两种特性是合一的。单是时空的几何学性质，就应使宇宙膨胀。

霍根在COSMO会议上发言说，最初的结果表明霍鲁米塔将最终测出空间量子的起伏。若如此，也就有可能收集足够的数据，在较短时间内做出较为全面的回答。这也就是说，他们将测得Jetter。

大部分暗能量模型认为，其数量应该是一个常数。但10年前宇宙学家认识到，其总密度正在变大，我们可能将面临一个噩梦——大撕裂。时空日益快速膨胀，物质将被撕开，这开始于星系团的离散，最终将是原子核的破碎。因此，宇宙学家又把暗能量称为“幽灵能量”。

为证实这些，密歇根大学的D.赫特转而测量超新星Ia。这些巨星爆炸时具有同样的亮度，因此可被当作宇宙的量天尺，以探测天体间的距离。20世纪90年代末期，第一个说明宇宙膨胀在加速的证据，正是通过超新星得到的。若超新星过去的离开速度慢于现在，则说明暗能量的密度可能正在增大。

赫特等人已将最新的超新星测量数据编辑成表。他们发现，在过去的20亿年中，暗能量的密度略有增大，但这不具有统计学意义。

“幽灵能量”是一个弱势理论，其影响却如此之大。赫特说：“我们可能要完全修改关于暗能量的现行思想。”