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上天入地,看暗能量往哪里躲!Comments>>

发表于 2013-12-15 10:22 | Tags 标签:,

文/ Stephen Battersby

YyvWcVPK4iX5roh2kPd8j5msumL3UmQwhkBXbMrx_AJSAwAAOwEAAEpQ_645x239【对于占据宇宙2/3的暗能量,我们仍然一无所知,只有想象力丰富的各种猜测。现在,科学家已经上天入地开始全面围捕暗能量,希望能够逮到蛛丝马迹,确认它的真正身份。图片来源:blogspot.com】

自打发现有一种神秘的东西在把宇宙扯开,这15年来我们一直在绞尽脑汁。但我们仍然不知道它是什么。它无处不在,却又无法被看见。它在宇宙成分中占据了超过三分之二,但我们不知道它从何而来,又由什么构成。美国加州理工学院的理论物理学家肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)说:“大自然还没有准备好向我们透露任何有关的线索。”

不过,至少我们为这种最神秘的东西起了个名字:暗能量。现在,对它的追捕正在进行。2013年年底,天文学家将启动一项新的巡天,在爆炸的恒星和古老的星系团之间寻找这些东西的迹象。一系列的空间任务和地面上的巨型望远镜很快也会加入其中。同时,一些物理学家正在探求一个非正统的想法:在实验室里诱捕暗能量。

迄今为止,我们对暗能量仍知之甚少,所知的或许只限于3点。第一,暗能量是向外推的。1998年,我们首次留意到了这一点,因为我们发现某一类超新星爆炸的亮度暗得出乎意料,说明它们的距离远过我们的预期。空间似乎从某个时刻起开始了加速膨胀,就好像有一种斥力抵御着物质间的引力在向外推动一样。

第二,暗能量大量存在。星系的运动和成团能告诉我们宇宙中有多少物质,而大爆炸后38万年时发出的宇宙微波背景辐射,则向我们透露了宇宙中物质和能量的总密度。这第二个数字要比第一个大得多。根据最新的观测数据,包括欧洲空间局普朗克卫星的微波观测,宇宙中大约68%的成分是以非物质的、表现为斥力的能量形式出现的。在每立方千米的空间中大约有1焦耳。

第三,暗能量让物理学家富于创造力的思维充满了活力。他们已经提出了数百种不同且充满想象力的理论。

其中最平淡的,当属宇宙学常数,不过即便如此,它仍属于“狂野之物”。它是空间固有的能量密度,在爱因斯坦的广义相对论下会产生斥力。随着空间膨胀,它会越来越多,使得它的排斥力超过因物质日益分散而逐渐变弱的引力。粒子物理学甚至为它提供了一个起源:在充满了不确定性的量子真空中不断出现和消失的虚粒子。但问题是,这些粒子的能量太多了——根据最简单的计算,每立方千米含有的能量约为10120焦耳。

这一灾难性的差异,为琳琅满目的其他替代理论留下了生存空间。比如说,暗能量有可能是“第五元素”(quintessence,又译作“精质”),一种假想的能量,能渗透进空间,随时间改变,甚至能在不同的地方聚集。它也可能是一种经过修改的引力,在远距离上表现为斥力。又或者,它是地球在宇宙中所处的特殊位置造成的错觉。暗能量还可能是波长比可观测宇宙大万亿倍的无线电波,甚至有可能是更奇特的东西。

“许多聪明人都试图构想出比宇宙学常数更好的东西,或者去理解为什么宇宙学常数具有如此的数值,”卡罗尔说,“大致说来,他们都失败了。”

黑暗降临

观测暗能量是否会随时间变化,是做出裁决的一种方式。如果它确实随时间演化,宇宙学常数就可以排除了:作为空间的固有特性,它的密度应该保持不变才对。与之相反,在大多数“第五元素”模型中,随着空间的膨胀,暗能量会慢慢地稀释——不过在一些模型中,它实际上会增强,加速宇宙的膨胀。在大多数修改引力的理论中,暗能量的密度也会变化。它甚至可以先上升后下降,或者反过来。

宇宙的命运完全取决于这一平衡。如果暗能量保持稳定,宇宙就会加速膨胀,把我们变成一个孤立小岛,跟宇宙的其他部分隔绝开来。如果暗能量会增强,最终可能就会把所有物质全部“撕碎”,甚至连空间结构都变得不再稳定。根据对超新星的观测,我们今天最佳的估计是,暗能量的密度相当稳定。有一种观点认为,暗能量正在缓慢增强,但不确定性太大,目前我们还不必担心这一增长。

从2013年9月起,一个名为“暗能量巡天”的国际项目将开始收集数据,旨在进一步了解暗能量。位于智利托洛洛山美洲天文台口径4米的维克托·布兰科望远镜,以及一个专门设计的红外照相机,将在广大的天区中寻找暗能量的若干迹象。该项目主管、美国芝加哥大学的乔舒亚·弗里曼(Joshua Frieman)说:“虽然不是世界上最大的望远镜,但它的视场非常大。”

第一步,这台望远镜将捕获更多的超新星。每一场恒星爆炸的视亮度(就是在我们看来它有多亮),都能告诉我们它们发生在多久之前。这些光向我们传播的过程中,波长会因空间的膨胀而被拉长,也就是红移。把这两样东西结合起来,我们就能测出宇宙如何随时间膨胀。

这项巡天还将绘制一幅复杂的天图,会标出几亿个星系的位置以及它们到我们的距离。在宇宙的婴儿时期曾经在宇宙中回荡的声波,给巨大的超星系团赋予了一个特征尺度。通过测量超星系团的视大小(就是在我们看来它有多大),我们可以从一个新的视角来回顾宇宙膨胀的历史。

lGr7UzC2aCun89B5gZW2hS1yxbjbQJDHfaBFDh-JVNXFAgAA4QIAAEpQ_645x670【通过多种不同的观测证据,科学家推断宇宙中存在某种未知的能量,在推动宇宙加速膨胀。但对于这种未知能量到底是什么,科学家仍然一无所知。图片来源:《新科学家》】

放眼天空

这份天图还将揭示暗能量对较小尺度的影响。暗能量会阻碍星系聚集形成星系团。巡天项目组将直接对星系团进行计数,还会借助引力透镜效应追踪它们的成长。引力透镜是星系团弯曲更遥远的天体发出的光线时出现的一种现象。

这些不同的测量,应该能给我们提供一些线索,透露暗能量是否会随时间而变——如果确实会变的话。弗里曼说,他们的巡天可以把现有结果的误差范围减小到1/4。到2016年,巡天的初步分析结果公布时,他们就能开始甄别一些不同的理论模型了。

一个完整的暗能量猎手团队,将在几年之后组建完毕。由美国主导的大口径全天巡视望远镜(Large Synoptic Survey Telescope)将在2021年睁开它的巨眼。其他巨型望远镜,比如位于夏威夷的30米望远镜(Thirty Meter Telescope),以及同在智利的欧洲特大望远镜(European Extremely Large Telescope)和巨麦哲伦望远镜(Giant Magellan Telescope),都将在大约同一时间投入使用。在澳大利亚和南非兴建的巨型射电接收器——平方千米阵也会加入它们的行列。通过观测氢云的射电辐射,平方千米阵可以追踪宇宙的结构。到2020年,欧洲空间局和美国宇航局计划发射一颗名为“欧几里德”(Euclid)的暗能量探测卫星,能够观测宇宙更早时期的引力透镜和星系成团。美国的大视场红外巡天望远镜或许会紧随其后。

这场穿越空间的暗能量围猎将会惊心动魄,但猎物仍有可能会逃之夭夭。比方说,我们也许会发现,暗能量的密度随着时间的推移几乎保持恒定。这看起来似乎支持了宇宙学常数,但它并不能排除一部分“第五元素”的理论,因为那些理论中的“第五元素”恰好具有几乎恒定的密度。况且,就算我们发现暗能量密度确实在增长或者降低,我们可能也无法分辨,这种变化到底是由于“第五元素”,还是出自某种随时间变化的引力。

OO2no0YtVwRnG8l23DGPvNy09rmldrjHvxtIARpSCkE4BAAA8QIAAEpQ_645x449【位于夏威夷的30米望远镜和其他巨型光学望远镜,将在未来10年内陆续建成并投入使用。它们和其他设备一起,将为天文学家抓捕暗能量提供有利的工具。图片来源:astronomy.com.cn】

于是,一些物理学家提出,在地球上设置“陷阱”来诱捕暗能量。英国诺丁汉大学的克莱尔·伯雷奇(Clare Burrage)说:“如果你引入一种新的场或者粒子,来充当你的暗能量,那么它们也将成为载体,传递一种新的作用力。”类似“第五元素”的东西,会产生有别于引力、电磁力、弱核力和强核力的第5种基本作用力。“但是,我们在太阳系里没有看到第5种力,”伯雷奇说。

理论学家摆脱这一症结的通常做法是,添加一个屏蔽机制,削弱密度相对较高的环境中(比如太阳附近)第五种力的强度。一个被称为“GammeV”的项目已经在美国费米实验室就位,已经开始搜寻一种被屏蔽的特殊暗能量,也就是所谓的“变色龙”。

到目前为止,GammeV仍然一无所获,不过现在,伯雷奇打算搜寻更大范围内的暗能量,灵敏度也要更高。她和英国诺丁汉大学的同事埃德蒙·科普兰(Edmund Copeland)及英国伦敦帝国学院的埃德·海因兹(Ed Hinds)合作,想利用处于玻色-爱因斯坦凝聚态的低温原子团来暴露暗能量的踪迹。这种低温原子团会像一个整体那样,在量子波动中振荡。暗能量应该会略微降低这种振荡的频率。这个研究团队计划把一团凝聚物一分为二,在其中之一附近放置一个高密度物体。如果物体屏蔽了暗能量,两个“半团”凝聚物中的波就会脱离同步,再把它们重新放在一起时,两者就会发生干涉。

电效应

在美国西雅图的华盛顿大学,Eöt-Wash扭摆实验正在探测其他形式的宇宙斥力。有一种理论认为,尺度不到1毫米的空间额外维度可能为暗能量提供了容身之处。在这么小的尺度上,它或许还能够增大引力的强度。一种被称为“对称子”(symmetron)的被屏蔽的“第五元素”,会在类似的小尺度上产生一个额外的作用力——如此微妙的效应,应该可以在Eöt-Wash扭摆细微的扭动中显现出来。

与此同时,美国普林斯顿大学的迈克尔·罗马利斯(Michael Romalis)和美国达特茅斯学院的罗伯特·考德威尔(Robert Caldwell)在2013年提出,如果普通光子或电子能够感受到哪怕极其微弱的“第五元素”,那么地球上的磁场就应该会产生一个微小的静电电荷。这种有可能很容易探测,当然任何专门为此设计的设备都必须非常精密才行(详见arxiv.org/abs/1302.1579)。

卡罗尔指出,我们还有可能会在太空中看到另一种电磁效应。如果光子与暗能量相互作用,当它们在宇宙中穿行时,光子的偏振就会发生旋转。他说,如果普朗克团队在几年后宣布测量到宇宙微波背景辐射光子的偏振,“可以想象他们会宣布,他们已经探测到了‘第五元素’”。接下来,我们或许会坐立不安地再等上十几年,等那些望远镜看清楚暗能量到底偏向哪一边,然后我们才能够松一口气,确定我们周围的空间不会坍缩成一种新的不健康的状态。

很少有人认为,对暗能量的围捕很快就会结束。美国俄勒冈大学的斯蒂芬·许(Stephen Hsu)说:“暗能量是最大的谜团之一,我不指望自己能够活着看到它被攻克。”在困惑了15年之后,对于暗能量是什么,我们仍然没有任何线索。但光明的一面是,对于那些线索可能隐藏在哪里,我们已经有了一些线索。

关于本文

编译自:《新科学家》,Dark energy is still the greatest cosmic mystery

本文首发于果壳网(guokr.com)科技评论主题站《上天入地,看暗能量往哪里躲!

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10 Responses to “上天入地,看暗能量往哪里躲!”

  1. 挑灯看剑说道:

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  5. 申成2011说道:

    暗能量是我们物质组成的基本单位,我们用这种基本单位组成的物质架构来寻找基本单位?传统思维方式注定是没有结果的。我们已经计算出暗能量的质量,也知道暗能量是什么?包括它的体积大小,来源,它的质量大约在1--2乘10负63次方公斤之间。具体的数据就不多说了。

  6. 申成2011说道:

    通过采用暗能量的运动方式计算出来电子质量和实验值完全相同。也可以计算光子的能量。关键是我们已经知道了暗能量是如何组建我们的三维物质的。

  7. 申成2011说道:

    如果有必要的话我们可以公布这个计算过程。把所有的高能物理研究的东西通过一条线串联起来。从逻辑的角度去分析计算。通过精密的计算,给出构成物质的动态图象。告诉人们为什么我们的物质必须是三维的,把我们的身边的东西无限放大后最终会看到什么?引力和电磁场的关系是什么?在揭开这些迷团之后接下来我们将会把他们用到现实的生活中来。点石成金将不再是神话。

  8. Illusiwind说道:

    松鼠会的评论水平真是越来越高了,可喜可贺……23333333.

  9. dalee说道:

    也许我们被禁锢在某个“人”造的空间内,在禁锢空间内观测到的禁锢空间外的情况是个错觉。