宇宙演化与暗能量

赵峥

弗利德曼和勒梅特的宇宙模型都指出，宇宙未来的演化有3种可能性，如图1所示。图中横坐标f表示时间，纵坐标a（f）是宇宙的尺度因子。粗略地说，a（f）反映宇宙三维空间的尺度大小。

一种情况，宇宙是脉动型的，膨胀到一定程度会转变为收缩。这种宇宙的三维空间曲率K是正的，体积是有限的，是有限无边的宇宙。在有限无边这一点上，脉动宇宙与爱因斯坦的静态宇宙是一样的，只不过脉动的宇宙在动，静态宇宙则不随时间变化。

脉动的宇宙在转化为收缩后，体积会越来越小，温度会越来越高，重新化为核火球。目前，比较流行的看法是，脉动宇宙在收缩到一定程度时会发生“反弹”，再次转入膨胀。所以，这样的宇宙会不断胀缩交替，像脉搏跳动一样，这就是称它为脉动宇宙的原因。

弗利德曼和勒梅特得到的第二类和第三类宇宙模型都不会转化为收缩，都将永远膨胀下去，温度会越来越低，趋向绝对零度。这两类宇宙三维空间的体积都是无穷大。不同的是，其中一种的空间曲率K为零，也就是说三维空间是平直的，是平直的无限无边的宇宙。另一种的空间曲率K为负，即三维空间的曲率是负的，是负曲率的无限无边的宇宙。

让人特别难以理解的是，这两种无限无边的宇宙，从诞生的那一刻起，空间就是无限大的。这两种模型描述的膨胀，都是无限大的三维空间的膨胀。这一点和脉动宇宙完全不同，脉动宇宙诞生时三维体积可能无限小，然后逐渐胀大，达到极大值后转化为收缩，体积越来越小，最后可能趋于无穷小，也可能在达到无穷小之前宇宙就会发生“反弹”，体积重新增大。究竟是达到“无穷小”还是发生“反弹”，目前学术界存在争议。

不管宇宙将来会如何，会永远膨胀还是脉动收缩，我们今天的宇宙无疑都处在膨胀过程中。天文观测和哈勃定律都支持当前宇宙正在膨胀的观点，在学术界没有争议。

然而，人们还是想知道，我们的宇宙未来会按哪种模式运行，是永远膨胀还是会转化为收缩。前面已谈到，这一问题和我们所处的三维空间究竟有限还是无限是联系在一起的。有限无边的宇宙是脉动的，无限无边的宇宙是永远膨胀的。

科学家们发现，宇宙究竟属于哪一种，取决于宇宙中的物质密度。物质密度越大，万有引力的吸引效应就越强，这种吸引效应会使宇宙膨胀不断减速，密度越过一个临界密度时，吸引效应就会最终使宇宙的膨胀转化为收缩。

研究表明，如果当前宇宙中物质的密度大于临界密度，那么可以断定我们的三维空间曲率为正，空间是有限无边的，宇宙未来会从膨胀转化为收缩，也就是说我们的宇宙是脉动的宇宙；如果宇宙中物质的密度等于临界密度，则可以断定我们所处的三维空间曲率为零，空间是平直的，无限无边的，我们的宇宙将永远膨胀下去；如果宇宙中物质的密度小于临界密度，三维空间曲率为负，空间也是无限无边的，宇宙同样将永远膨胀下去。

计算得到的临界密度大约等于每立方米3个氢原子。观测表明，我们宇宙的物质密度只有每立方米0.3个氢原子，远小于临界密度。这方面的观测资料支持我们的宇宙会永远膨胀的设想。不过，这种膨胀是减速膨胀，也就是说，我们宇宙的膨胀速度会越来越慢。

然而近年来的天文观测得出一个惊人的发现：宇宙的膨胀正在加速。天文学家们发现，大约在60亿年前，宇宙的膨胀从减速膨胀变成了加速膨胀。这是怎么回事呢？

这一发现来自对Ia型超新星的观测。超新星爆发是大质量恒星演化到晚期出现的一场猛烈爆炸，它在1天里发出的光相当于太阳在1亿年里发出的光，所以超新星很亮，遥远星系中的超新星爆发我们都能看到。研究表明，质量大于七八个太阳质量的恒星，演化到晚期，如果还能剩余较多的质量，就有可能变成超新星。天文学家建议用Ia型超新星的绝对亮度和视亮度（我们观测到的亮度）作比较，从而判定这颗超新星所在的星系离我们的远近。他们用这一方法重新确定了这些星系到地球的距离。把新得到的距离和红移作比较，得出了我们的宇宙正在作加速膨胀的结论。这一结论目前已经被绝大多数学者所接受。

宇宙怎么会加速膨胀呢？膨胀的动力来自什么呢？

天文学家早就发现，用牛顿第二定律和万有引力定律解释银河系的旋转运动有困难。人们看到，整个银盘围绕银心转动，盘上恒星受到的向心力应该与它围绕银心转动时产生的惯性离心力平衡，二者相等才能维持稳定的旋转。向心力应该是银心物质施与的万有引力，但从天文观测得出的银心质量不足以产生如此大的万有引力。而且，从银盘上离银心远近不同的恒星的转速分别算出的离心力，也不支持银河系的主要质量完全集中于银心的假设。

于是天文学家们猜测可能存在一种暗物质。这种物质很奇怪，它不参加电磁相互作用，因而既不发光，也不挡光，但产生万有引力。暗物质与我们观察到的可见物质不同，并不集中于银心，而是呈晕状分布。假设银河系中存在大量暗物质，就可以解释银盘上恒星的转动规律了。

应该强调的是，暗物质不是气体、尘埃，气体在光的照射下自身会发光，大量的气体和尘埃还会挡光，我们能通过观测发现它们。暗物质也不是黑洞，黑洞的存在会对光的传播产生影响。暗物质就像玻璃一样，对光完全透明。为了把气体、尘埃、黑洞等不发光的物质与暗物质明确分开，有时又把暗物质称为“冷暗物质”，不过通常仍简称为暗物质。

近年来，为了解释宇宙的加速膨胀，科学家们又设想宇宙间存在另一种奇怪的物质——暗能量。暗能量与暗物质有一点类似，就是它也不参加电磁相互作用，因而也不发光、不挡光，也是透明的。但它与普通物质和暗物质都不同，压强是负的，表现出“负的引力效应”——排斥效应，因而能促使宇宙膨胀加速。

科学家们认为宇宙中均匀地存在着暗能量，密度不但各处相同，而且不随时间变化。也就是说，随着宇宙膨胀，宇宙空间体积的胀大，会不断有暗能量从虚无中产生出来，使其密度保持不变。这一点和普通物质与暗物质也不同。

普通物质与暗物质是成团分布的，它们的空间密度在小尺度（宇观尺度以下）上并不均匀。而且，除去宇宙极早期的一段时间之外，在宇宙膨胀过程中不再有普通物质和暗物质从真空中产生，所以它们的密度在宇宙膨胀过程中会随着宇宙体积的增大而减小。

科学家们认为，宇宙中的暗物质和暗能量远多于普通物质，在今天的宇宙中，它们所占的比例大致如图2所示。

表中的冷暗物质就是我们目前科学界谈論的暗物质，它究竟是什么东西，目前不清楚，人们设想了许多模型对它进行猜测。暗能量究竟是什么，也不清楚。许多粒子物理学家想出了各种奇奇怪怪的暗能量成分，但都不能得到天文观测的支持。另一种可能是，在宇观范围内广义相对论需要做大的修改，相对论专家也设想了多种方案，但同样未得到观测支持。

最有可能的是，所谓暗能量并不存在，宇宙膨胀加速是宇宙项的排斥效应造成的。这就是说，广义相对论的基本方程——场方程中还是应该含宇宙项，爱因斯坦认为他一生所犯的最大错误（引进宇宙项）其实很可能并不是错误。

关于暗物质与暗能量的讨论仍在继续。endprint