撕裂宇宙的暗能量

编译 王晓涛

本文要点速览：

· 暗能量使宇宙加速膨胀，但它的本质目前还是未解之谜。理解暗能量是现代物理学的一大挑战。

· 宇宙学家通过对遥远星系的研究来测量暗能量的强度并观测其是否会随时间发生变化。这些细节将决定宇宙会如何终结。

· 如果暗能量的影响效果不断增加，宇宙将会被撕裂。最后，一切都将荡然无存——无论是粒子，还是空间本身。

暗能量可以说是宇宙中最重要的一种天文现象，但要想对其进行研究却异常困难。据我们所知，暗能量完全均匀地分布于宇宙中的每一个角落，与宇宙的空间结构融为一体。它唯一的效应就是将空间持续地拉伸，因此，如果研究的尺度小于遥远星系之间的广袤空间的话，就无法观测到它对宇宙的任何影响。

研究暗物质的物理学家相比之下要轻松不少——尽管暗物质和暗能量一样不可见，但它的存在感要强得多。几乎所有我们已知的星系和星系团周围都笼罩着暗物质。在引力场中，暗物质也起着主导作用。暗物质可以使光线弯曲。甚至还在极早期时，暗物质就改变了宇宙的历史进程。反观暗能量，它就只是在……不停地膨胀而已。

当然，这并没有完全阻止我们对暗能量的研究。相关研究基本上会从宇宙的膨胀历史，以及星系和星系团的形成过程，这两个方面入手。无论通过哪种方式，我们都试图跨越遥远的空间和漫长的时间，以追踪宇宙随时间的演化进程，并从微弱的信号和稀少的统计数据中找到暗能量的极轻微的效应。

尽管这样的研究非常具有挑战性，但值得我们为之付出努力，因为暗能量不仅是宇宙的主要组成部分，同时也在明确地提示我们，尚有一些超出目前人类认知的全新的物理学领域存在。

实际上，暗能量有可能会猛烈地、不可避免地摧毁宇宙。暗能量导致的末日浩劫，被形象地命名为“大撕裂”，它可能比任何人设想中的宇宙毁灭的结局都要更早到来。这种毁灭宇宙的形式不仅无法避免，而且会撕碎一切现实结构，让宇宙中每个有思想的生物眼睁睁地看着整个宇宙在自己面前裂开却束手无策。

这一令人担忧的构想绝非空穴来风。事实上，目前最精确的宇宙学观测数据非但没有排除这种可能性，而且从某些角度来看，甚至还略微地倾向于认可大撕裂的可能性。因此，我们完全应当对暗能量的研究投入必要的时间和精力。

宇宙学常数真的是“常数”吗？

通常认为，暗能量表现为宇宙学常数的形式。它拉伸空间，通过使宇宙具有某种固有的扩张趋势来加速其膨胀。在大尺度上，这是一种很好的描述方式。但在星系之间，或是太阳系内，或者笼统地说，在有组织分布的物质附近，宇宙学常数并不会产生什么影响。因此，我们可以采用更确切的说法，即宇宙学常数是一种将天体彼此分离的力量——如果两个星系已经相隔甚远，那么它们之间的距离会变得越来越远。随着时间的推移，无论是单个星系、星系团或是星系群，都会发现自己越来越孤独。在考虑宇宙学常数的情形下，它们的形成速度也会更慢一些。不过，宇宙学常数无法将已经形成连贯结构的天体分开：凡是引力结合起来的事物，宇宙学常数都不能使之分离。

宇宙学常数之所以会有这么一点小小的仁慈之心（当然，它最终还是会毁灭整个宇宙），是因为其“常数”的性质。如果暗能量是一个宇宙学常数，那么即使宇宙在膨胀，它的密度也会在空间各处随时间推移保持恒定，这是暗能量的基本特征。而且，保持恒定的仅仅是空间中各点的暗能量密度，而不是宇宙的膨胀速度。这在某种程度上是合理的，前提是每一处空间内都自然地分配有一定数量的暗能量。但这样的假定依然十分奇怪，因为这表示，随着空间的增长，暗能量的总量也在增加，只有这样才能保证其密度恒定。这也意味着，如果你在宇宙中的某个地方画出一个给定大小的球体，并测量球体内部的暗能量，然后在未来的某个时间点再做同样的事情，那么不管宇宙在这段时间里膨胀了多少，你测得的暗能量的值都必然是同一个数字。如果原先的球体内包含了某个星系团以及一定量的暗能量，十亿年后，这个区域内暗能量的总量仍然会是之前的值。因此，如果之前的暗能量不足以破坏那个星系团，那么以后暗能量也永远不会对星系团造成破坏。即使宇宙的其他部分不可避免地陷入虚无，在这个球体内部，物质和暗能量之间的平衡也不会被打破。

这听上去让人感到安心。假设你是宇宙中的一团物质，你想让自己成为一个漂亮、稳定、由引力束缚的星系，敬请放心，只要你聚集起来打造自己的物质足够多，就可以实现愿望。而在这一过程中，暗能量不会来破坏你的事业。

除非，暗能量并不仅仅是一个宇宙学常数。

宇宙学常数只是暗能量的一种可能性。我们知道，暗能量会使宇宙膨胀得更快。或者，更确切地说，暗能量具有负压。负压是一个奇怪的概念，因为根据通常的认识，压力是一种向外推的力量。但在爱因斯坦的广义相对论中，压力就像质量或辐射一样，只是能量的另一种形式，因此可以具有引力的吸引效果。而在广义相对论中，引力也只是空间弯曲的结果。

想象有一个网球正在蹦床上滚动。现在假设将一个保龄球放置在蹦床的中心处，网球会沿着一条曲线滚动并经过保龄球。这个例子可以很好地用来类比某个物体在空间中存在大质量物体时的运动情况。如果要考虑广义相对论，那么不仅在球质量更大时压痕更深，并且如果球的温度很高，或是内部具有很强的压力时，压痕同样也会更深。所以，和能量的其他形式一样，压力也起着非常类似质量的作用。从引力的角度看，压力是一种拉力。例如，当你计算一团气体的引力效应时，你不仅要考虑到它的质量，还要考虑到它的压力，因为这两者都会造成气体对周围物质的引力作用。事实上，相比质量而言，压力对时空曲率的贡献要更大一些。

一个物体具有负压，这种说法意味着什么？如果存在某种奇怪的物质，其压力是负值，那就说明它可以有效地抵消物质的质量，至少在质量对时空弯曲的影响效果方面可以这么说。如果你以宇宙学常数的形式写下暗能量的压力和密度的值，并使用适当的单位，就可以使得压力正好是密度的负数。

我们通常使用状态方程参数来讨论物质的密度与其压力之间的关系，这一参数写作ω——它等于压力除以能量密度，单位为相应的合理单位。我们对暗能量状态方程感兴趣，因为如果时间够长，所有其他影响因素都会被冲淡，暗能量随着宇宙的膨胀会变得越来越重要，暗能量状态方程也将成为整个宇宙的状态方程。如果ω的测量值恰好为-1，这表明压力和密度正好相反，并且暗能量是一个宇宙学常数。由于宇宙学常数中的能量密度总是正值，乍一看，它似乎应该像物质一样发挥作用，放大引力减缓宇宙膨胀的效果。但是由于负压在方程中被赋予了更大的权重，因而宇宙学常数最终的贡献反而是加速了宇宙的膨胀。

至少根据我们的预测，情况应当如此。 ω=-1的宇宙学常数的总能量密度在宇宙膨胀时完全保持恒定，不会增加或减少。但对于具有任何其他ω值的暗能量，情况将会有所不同。所以，弄清楚我们的研究对象可以说非常重要。

在首次发现暗能量之后的几年里，我们发现，很明显有什么东西在加速宇宙的膨胀，这意味着这种东西一定具有负压。事实证明，如果ω值小于-1/3，就会存在负压和加速膨胀的现象。如果可以知道ω的值，就能让我们认识到，暗能量究竟是一个真正的宇宙学常数（ω的值始终是-1），还是会动态变化，即其对宇宙的影响效果可能会随时间发生改变。所以天文学家试图找到方法来精确测定ω的值。如果最终发现，暗能量并不是一个宇宙学常数，这将表明，我们不仅发现了一种作用于宇宙层面的全新物理学，而且还有一个连爱因斯坦也未曾料到的意外收获（爱因斯坦无疑会在某些方面出错）。

多年来，科研上的竞赛一直在持续。科学家们进行了大量的观测，撰写了众多论文，将数据绘制成图线以拟合得到ω的值。看起来，暗能量是宇宙学常数的情况似乎更有可能。

但是，在20世纪90年代末和21世纪初，一些宇宙学家提出了一个重要的、从未被讨论过的假设，并将其应用到了数值计算当中。这是一个完全合理的假设，因为如果忽视了这一假设，就会违反某些长期存在的理论物理学原理。这些原理非常基础，以至于不会有人想要推翻它们。但这些原理并不是观测数据所必须认可的。作为科学家，我们首先还是要忠于数据，哪怕这样做有可能会改写宇宙的命运。

一个另辟蹊径的观点

达特茅斯学院的物理学家罗伯特·考德威尔（Robert Caldwell）和他的同事提出了一个简单的问题：如果ω小于-1会怎样？或者说，小于-1.5？或是小于-2？在此之前，科学家普遍认为，这种可能性太过古怪因而不必去考虑。大量论文中基于数据拟合而成的图像显示，ω的“允许”区域往往会在-1处突然截止。数据轴的范围可能从-1到0，或者从-1到0.5，但-1一定会是一堵难以逾越的墙，就像你在猜测一个人的身高时，不会考虑身高小于0的可能性一样。

但是当考德威尔研究这个问题时，ω的所有观测结果都指向了-1这个值，或是某个非常接近它的值。这表明，在有人核查过数据并确认无误的前提下，低于-1的值也是观测数据允许的。在这一假设中，暗能量的ω值小于-1，考德威尔将其称之为“幽灵暗能量”。这与一些重要理论原理非常不一致——特别是“主能量条件”，粗略地说，即能量不能比光流动得更快。这似乎是一个在研究宇宙时完全合理的条件，不过这个说法与光（或任何物质）的速度有上限的表述略有不同，目前它还不是一个经过验证的物理学原理，而仅仅是一个十分自洽的观点。或许，我们可以对它进行修改。

考德威尔和同事根据ω的所有可能性计算出了相应的约束条件。他们不仅发现那些低于-1的值与数据完全一致，而且在经过简单直接的计算后得出结论，如果ω无限地小于-1，暗能量就会在有限的、可预测的时间内撕裂整个宇宙。

大撕裂

你可以把它想象成是一次解体。

首先消失的是最大也是最脆弱的那些结构体。在庞大的星系团内，成百上千个星系群围绕彼此缓慢地运动，它们的运动路径漫长而又互相交错。刚开始，星系群的路径会变得越来越长。在数百万至数十亿年的时间里，星系穿越过的广阔空间进一步扩大，导致边缘处的星系缓慢漂移到不断增长的宇宙空洞中。很快，即使是最致密的星系团也会不可避免地消散，组成它们的星系将再也感受不到任何来自中心处的拉力。

从我们所在的银河系内的位置来看，星系团的消失应该是大撕裂正在发生的第一个不祥预兆。但是光速的限制推迟了这一迹象的到来，使得我们只有在更近些的地方才能感受到影响。随着我们所在的星系团（室女座超星系团）的消散，之前远离银河系的缓慢运动如今开始加速。当然，这种效果是十分微小的。不过，接下来要说的事就有所不同了。

目前我们的天文全天观测手段已经可以测量银河系中数十亿颗恒星的位置和运动。随着大撕裂的临近，我们会注意到银河系边缘的恒星并没有按照预期的轨道运行，而是像晚上派对结束后的客人一样，晃晃荡荡地飘走。不久之后，我们的夜空开始变暗，因为横跨天空的银河系正在逐渐消失。银河蒸发了。

从此时开始，毁灭的进程进一步加快。我们发现行星的轨道不再是它们应有的样子，而是慢慢地向外盘旋。就在末日之前的几个月，外行星消失在了广阔无垠且不断增长的黑暗之中。地球逐渐远离了太阳，月球也在远离地球。我们陷入了孤独的黑暗时代。

这种新出现的孤独的平静感，并不会持续太久。

之后，任何此时依然完好无损的结构体，都在其内部膨胀空间的推动下，承受了越来越强的压力。地球的大气层从顶部开始变薄。地球内部的构造运动在不断变化的引力影响下变得混乱。只剩下几个小时了。地球再也没办法保持一个完整的结构：我们的星球爆炸了。

原则上说，即使地球毁灭，你也是可以幸存的，只要在认识到这些迹象产生的原因之后及时躲到某个紧凑的太空舱中就可以。（当危险来源于空间本身时，你一定会希望自己处于尽可能小的空间结构内。）但这种缓刑是短暂的。不久之后，将原子和分子结合在一起的电磁力将无法承受物质所在的不断扩大的空间的影响。在最后一瞬间，分子裂开，任何仍在坚持思考的生物都会从内部被一个原子一个原子地撕裂摧毁。

在这之后，破坏的效果已经没有人能看到了。但毁灭仍在继续。原子中心的超高密度物质，即原子核本身，是下一个被摧毁的对象。极其致密的黑洞的核心也会被掏空。而在最后一瞬间，空间本身的结构被撕裂了。

不幸的是，我们可能永远也无法肯定地说，大撕裂一定不会发生。如果ω小于-1，哪怕只有几十亿分之一的概率，暗能量最终都会以幽灵暗能量的形式将宇宙撕裂。由于测量结果不可能百分之百精准，因此，我们所能做的最好的事情，就是预言：即使大撕裂真的会发生，那也会是在很远的将来，到时宇宙中的所有结构都会随着时间的推移而荡然无存。因为就算幽灵暗能量存在，ω越接近-1，大撕裂就越会被推到更远的未来。之前我根据普朗克卫星于2018 年发布的数据计算出了最早可能发生大撕裂的时间，结果是大约 2 000 亿年之后。

哈，真是个令人宽慰的结果。

但考虑到潜在的后果，为了宇宙以及物理学的基础着想，天文学界还是非常想要弄清楚，从ω=-1到宇宙末日时ω取的极小值之间，我们目前究竟处于哪个位置。ω无法被直接测量，但我们可以通过测量宇宙过去的膨胀速度，并将其与针对不同类型暗能量的最佳理论模型进行比较，来间接确定它。原则上，有一些方法可以得到ω的值，并且有些方法还能在不必计算特定距离处的膨胀速度的情况下巧妙地完成任务。但研究暗能量最直接的方法是弄清楚宇宙完整的膨胀过程。事实表明，如果你尝试着想回答一些简单的问题，比如“那个星系有多远？”，那么宇宙学中所有不可思议的特点都会同时展现出来。

通向天堂的阶梯

为了有意义地比较宇宙中两个相距很远的点的局部空间膨胀速度，你首先需要确切知道这两个点到底相距多远。如果研究对象是地球上的物体，哪怕是像月球这样近的物体，这都不是什么难事，你可以向它发射激光束，并测量光线返回所需的时间，从而测定距离。在这样的尺度上，宇宙看上去很合理。基本上，这就是一个不变的空间，从 A 到 B 的距离可以直接测量得到，结果一定是有意义并正常的。但如果涉及太阳系以外的事物，问题就变得棘手起来，因为测量更远物体的距离会更加困难，而且在更大的尺度上，膨胀会改变距离本身的定义。

多年来，天文学家将所有对距离的定义和测量方法拼凑累加在了一起。尽管有时这看起来很笨拙，但它也确实是观测天文学和数据分析领域数十年来的创新成果，并为我们提供了直观但不易操作的距离测量方法。我们把它称为距离阶梯。

假设你需要测量一间很大的房间的尺寸，但手头只有一把普通尺寸的尺子。如果你不介意在地板上爬来爬去的话，当然可以通过反复放下尺子一段一段测量的方式得到整个房间的尺寸。或者，你也可以更有创意一点，先测量自己的步幅，然后走过房间并计算步数。如果你选择的是步数法，那就意味着你正在构建一个距离阶梯：一个容易控制的、可对测量结果进行校准的大尺度测距系统。

在天文学中，距离阶梯有一系列的层级，使得可测范围可以从太阳系一直延伸到数十亿光年以外的天体。在太阳系内，直射式激光测量、轨道间比例关系乃至日食现象都可以用来帮助我们测定距离。更远一些的话，我们就会采用下一个方法：视差法。当你改变自己的位置时，和远处的物体相比，附近的物体相对于固定背景的位置变化似乎要更大一些。与之相似，如果你闭左眼睁右眼观察自己竖在面前的手指，之后闭右眼睁左眼再看一次，就会发现自己手指的位置在来回移动。如果我们在六月时观测一颗邻近的星星，然后在十二月时再观测同一颗星星，由于地球在绕日轨道上处于不同的位置，相对于更远处的背景天体，这颗恒星的位置似乎会略有变动。距离越近，这样的偏移就会越大。可惜的是，对于银河系以外的天体，这样的视运动太小以致难以分辨，因此，我们需要另一种方法——一种根据光的特性来确定发光物体距离的方法。

这种方法的关键点在于标准烛光的概念：一种天体（例如恒星）可以通过其某种物理属性来告诉你它的亮度。这样一来，只要知道它看起来有多亮，就可以知道它有多远。这就像是明确标注有“60瓦”字样的灯泡。你是知道它本来应该有多亮的，因此当它离得很远时，你也会很清楚，自己接收到来自它那里的光显然就会更少。

当然，太空中不会有东西自带亮度的标识，但我们发现了几乎和标识一样有用的东西。20世纪初，天文学家亨丽爱塔·勒维特 （Henrietta Swan Leavitt） 首次取得了在天文学中使用标准烛光的重大突破。她在哈佛天文台工作时，发现了一种被称为“造父变星”的恒星会以可预测的方式变亮和变暗。固有光度较强的造父变星会缓慢而渐进地脉动，周期性地发生明暗变化。而固有光度较弱的造父变星则会脉动得更快一些，在最亮和最暗的状态之间有很大的波动。

这是一次革命性的发现，或许也是天文学史上最重要的发现之一，因为它让我们有能力测量周围宇宙的尺度。这意味着，在任何可以看到造父变星的地方，我们都可以测得可靠的距离数据，从而制作可用的星图。通过测量造父变星脉动的速度及其视亮度，勒维特可以非常明确地告诉你它到底有多亮，以及距离有多远。

这可以让我们测定多远的距离？在整个银河系和邻近的星系中，造父变星都是可见的，因此我们可以利用视差法测量附近天体的距离，并将其用于脉动关系的精确校准，然后将脉动的周光关系用于测量更远天体的距离。

距离阶梯中的下一种方法至关重要，但从各个方面来说，它也使得事情变得非常混乱。某些特定类型的超新星会产生爆发，其性质是可以预测的，因此我们可以将其用来作为宇宙的里程标记。这种爆发，即Ia型超新星爆发，是在一颗白矮星以某种方式从另一颗同样不幸的恒星中吸收了质量并壮观地将自己撕裂时发生的。由于白矮星的结构相当简单（至少相对于恒星来说是很简单的），并且爆发的过程由我们熟悉的物理学机制所控制，因此，Ia型超新星被认为和造父变星一样，是很好的标准烛光模型——所有的爆发看起来都非常相似。如果你可以对爆发达到峰值和减弱时的状态进行测量，就可以很好地算得爆发释放的能量总量，从而了解它的真实亮度。

使用这些恒星作为距离基准的精确程度究竟有多高——其中必然也会有一些调整以考虑恒星环境间的细微差异——仍然是个天体物理学界激烈争论的问题。这是可以理解的，因为我们在这上面可下了很大的赌注。在广阔宇宙的膨胀过程中，Ia型超新星是测距的黄金标准。它们使得天文学家在20世纪90年代后期能够探测到宇宙的加速膨胀，并且现在也是天文学家用来研究暗能量本质的有力工具。

我们现在利用超新星校准星系距离的精确程度可以说令人印象深刻，其精度已达到1%的水平。这使得通过确定星系距离和它们的退行速度来测量宇宙的膨胀速度成为可能。我们根据哈勃常数——一个与距离和退行速度相关的数值——来讨论宇宙膨胀的速度。在撰写本文时，对超新星的测量结果已将哈勃常数测量值的精度提升至了2.4%。

这很奇怪。因为我们得到的数值与通过观察宇宙微波背景辐射得出的数值完全不同。

困惑在增加

在过去的几年里，根据超新星观测得到的哈勃常数的测量结果大约是74公里每百万秒差距每秒——这意味着一个距离我们一百万秒差距（326万光年）的星系正以大约每秒74公里的速度远离我们。但是，哈勃常数也可以通过对宇宙微波背景辐射中热点和冷点的几何形状的研究来间接测得。如果以这种方式测量，得到的结果大约为67公里每百万秒差距每秒。尽管这些测量观察的是宇宙历史上与现在非常不同的时期，但也完全可以提供今天宇宙的膨胀速度。在一个由我们认为的物质构成的宇宙之中，这两种方法给出的哈勃常数的值应该是相同的。但这样看来，并不是。

也不是说任何时候，这都应该被认为是一个很大的问题，因为测量本身也无法精确到极致。最近，支持宇宙微波背景辐射方法的人认为，距离阶梯存在一些错误，预计修正后可以使得数值减小一点。而使用超新星方法的人则指出，通过宇宙微波背景辐射最终给出测量值的推导过程中需要尝试测量空间本身的形状，这过于复杂，以至于一定会有一些东西导致测量值偏高了一点。考虑到要将宇宙初期的情况转换为当前的膨胀速度就必须要进行大量的计算和转换，这个假设并非毫无根据。当然，距离阶梯也确实非常复杂。哪怕不考虑超新星本身的所有相关属性，也就是说不考虑潜在的所有可能偏差，对变星的校准也不是一件容易的事情，甚至在测量相对较近的星系的距离时也会出现很大的误差。其中有一部分原因是，我们看到的附近的造父变星的数量与远处的并不相同，以及……好吧，我可以继续说下去，但总而言之，这里存在争议。

虽然双方都在假设对方出了错，但两边也都在改进方法，消除所有已知的测量偏差的来源。但更精确的数值结果依然无法彼此吻合。这种情况令人不安。

目前还不清楚这个问题的最终解决方案会是什么。也许确实可以将其归结为数据中存在的系统误差，或者测量本身存在一些问题。又或许只是统计上有一些小小瑕疵，尽管这在表面上看起来就不太可能。最有趣的解释涉及暗能量。暗能量不是普通的宇宙学常数，而是一种更不祥的东西——它可能会导致大撕裂。有一种假设可以通过一种合理的方式解决测量值之间的差异：就像宇宙在早期阶段时幽灵暗能量占主导地位的情况那样，暗能量将随着时间的推移变得越来越强大。

我们或许还不必恐慌。根据之前所述，数据结果并不确定。对ω的大多数测量结果会给出一个与-1完全一致的值。虽然确实小于-1的值偶尔会更有可能，但这种轻微的偏向在统计上不具备真正意义。至于哈勃常数的分歧，即使所有的测量结果都是正确的，对这种差异的非世界末日解释——包括暗物质的各种奇怪模型，或是早期宇宙的条件有所变动——在很大程度上都更有可能。事实上，就算改变对暗能量的认识也不足以完全解决问题，因此，完全有理由假设问题的解决方案尚存在于其他领域。即使暗能量对当前宇宙的影响效果急剧上升，类似于幽灵暗能量的东西确实存在，也没关系。在大撕裂可能发生之前，我们还会有很多时间。

资料来源 American Scientist