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暗物質(zhì)和暗能量 寫于廣義相對(duì)論 100 周年 科學(xué)家們探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)，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(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子表。人類自認(rèn)為對(duì)宇宙中的“所有”物質(zhì)的各個(gè)層次，已經(jīng)了解得差不多了。然而，天文觀測的最新結(jié)果給了我們當(dāng)頭一棒。物理學(xué)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(zhì)”，只占宇宙中整個(gè)構(gòu)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(xué)家們將它們稱作“暗物質(zhì)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(rèn)識(shí)的通常物質(zhì)，包括由原子分子構(gòu)成的物質(zhì)、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(jié)構(gòu)和性質(zhì)的“暗物質(zhì)”。更不可思議的是，其余剩下的 68.3%，連物質(zhì)都談不上，是某種無孔不入無處不在的所謂“暗能量”。 暗物質(zhì)和暗能量，不像普通物質(zhì)那樣對(duì)光波或者電磁波有所反應(yīng)。我們平時(shí)熟悉的普通物質(zhì)，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(zhì)和暗能量，似乎對(duì)這些“光”都完全無動(dòng)于衷。 既然我們不能看見“暗物質(zhì)”和“暗能量”，又如何知道它們的確存在呢？這是因?yàn)樗鼈兙哂腥f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(xué)認(rèn)為，宇宙中存在 4 種基本相互作用：電磁力、引力、強(qiáng)相互作用、弱相互作用。電磁力是我們所熟知的，強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)模型”來描述。只有人類早就認(rèn)識(shí)了的引力，看起來歷史最古老，我們對(duì)它的本質(zhì)卻知之甚少。 雖然引力的本質(zhì)至今仍然是個(gè)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(duì)論則將引力和時(shí)空的幾何性質(zhì)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(xué)院提交了一篇題為“引力場方程”的論文，憑借這篇?jiǎng)潟r(shí)代的文章，他愉快地向全世界宣告了廣義相對(duì)論的誕生。
廣義相對(duì)論的中心思想可用著名物理學(xué)家約翰·惠勒（John Archibald Wheeler，1911 年-2008 年）的名言來概括： “物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲，時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)”。 這句話的意思是說，因?yàn)槲镔|(zhì)的存在，時(shí)空是彎曲的，而因?yàn)闀r(shí)空的彎曲，又影響到物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。這句話也說明了廣義相對(duì)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(dòng)。如何解釋小天體的這種運(yùn)動(dòng)呢？牛頓的經(jīng)典引力理論說：因?yàn)樾√祗w被太陽施加的萬有引力所吸引。而按照廣義相對(duì)論的解釋，是因?yàn)樘柕木薮筚|(zhì)量使得它周圍的時(shí)空彎曲，小天體按照時(shí)空的彎曲軌道運(yùn)動(dòng)而已。就像一個(gè)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(yùn)動(dòng)，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(huì)增加，如果鉛球太重了，橡皮筋網(wǎng)可能被撐破，形成一個(gè)洞，小球掉入洞中再也撿不起來，這在引力場的情形，便相當(dāng)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(jì)算結(jié)果也有很大差異。比如說，兩個(gè)理論都預(yù)言光線彎曲，但牛頓理論計(jì)算的結(jié)果僅為廣義相對(duì)論的一半，實(shí)驗(yàn)值與愛因斯坦理論精確地符合。一百年來，廣義相對(duì)論的所有預(yù)言都已經(jīng)被大量的實(shí)驗(yàn)和天文觀測資料所證實(shí)。諸如時(shí)間膨脹、光波頻率紅移、時(shí)間延遲等引力效應(yīng)均被檢驗(yàn)和證實(shí)。實(shí)驗(yàn)資料充分，理論光彩依舊。廣義相對(duì)論已經(jīng)成為天體物理和宇宙學(xué)研究必不可少的理論基礎(chǔ)。 廣義相對(duì)論所描述的時(shí)空彎曲等現(xiàn)象，只在宇宙中天體及星系運(yùn)動(dòng)的大尺度范圍內(nèi)，才有明顯的觀測效應(yīng)。近年來，因?yàn)榭茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步，觀測方法的改進(jìn)，宇宙學(xué)中的大爆炸理論，黑洞物理，宇宙膨脹，這些與廣義相對(duì)論密切相關(guān)的領(lǐng)域，蓬勃發(fā)展，日新月異，成果不斷，它們既為證實(shí)廣義相對(duì)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(zhì)和暗能量就是其中之一。 2. 暗物質(zhì) 暗物質(zhì)的說法早已有之，最新觀測數(shù)據(jù)只是再次證實(shí)它們的存在而已。早在 1932 年，暗物質(zhì)就由荷蘭天文學(xué)家揚(yáng)·奧爾特提出來了。著名天文學(xué)家茲威基在 1933 年在他對(duì)星系團(tuán)的研究中，推論出暗物質(zhì)的存在。 弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky，1898 年－1974 年），是一直在加州理工學(xué)院工作的瑞士天文學(xué)家，他對(duì)超新星及星系團(tuán)等方面作出了杰出的貢獻(xiàn)。茲威基對(duì)搜捕超新星情有獨(dú)鐘，他是“個(gè)人發(fā)現(xiàn)超新星”的冠軍，進(jìn)行了長達(dá) 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(tuán)平均質(zhì)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)獲得的數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于從光度得到的數(shù)值，有時(shí)相差上百倍。因而，他推斷星系團(tuán)中的絕大部分的物質(zhì)是漆黑看不見的，也就是如今所說的“暗物質(zhì)”。 暗物質(zhì)存在的最有力證據(jù)有兩點(diǎn)，一是 “星系自轉(zhuǎn)問題”。二是引力透鏡效應(yīng)。 星系自轉(zhuǎn)問題，是由美國女天文學(xué)家薇拉·魯賓（Vera Rubin，1928 年-）觀測星系時(shí)首先發(fā)現(xiàn)和研究的。她在研究星系自轉(zhuǎn)速度曲線時(shí)發(fā)現(xiàn)，星系中遠(yuǎn)處恒星具有的速度要比理論預(yù)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(shè)，這份額外的引力就是來自于星系中的暗物質(zhì)。 天文學(xué)家在研究我們自己所在的銀河系時(shí)，也發(fā)現(xiàn)它的外部區(qū)域存在大量暗物質(zhì)。 銀河系的形狀像一個(gè)大磁盤，對(duì)可見物質(zhì)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(yīng)該移動(dòng)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(zhuǎn)。這表明銀河系的外盤存在大量的暗物質(zhì)。這些暗物質(zhì)形成一個(gè)半徑是明亮光環(huán) 10 倍左右的巨大“暗環(huán)”。 暗物質(zhì)的引力作用也符合廣義相對(duì)論，因而能造成時(shí)空的彎曲。光線透過彎曲的時(shí)空后會(huì)偏轉(zhuǎn)，類似于光線在透鏡中的“折射”現(xiàn)象。根據(jù)這個(gè)原理，愛因斯坦最先提出了“引力透鏡”的設(shè)想，因而有人將它們稱為“愛因斯坦的望遠(yuǎn)鏡”。茲威基在 1937 年曾經(jīng)指出，有暗物質(zhì)的星系團(tuán)可以做為實(shí)現(xiàn)引力透鏡的最好媒介。可想而知，由較為均勻分布散開在星系中的暗物質(zhì)形成的透鏡，肯定要比密集的星體形成的透鏡“質(zhì)量”好得多，見圖 3。不過，直到 1979 年，這種引力透鏡的效應(yīng)才在天文觀測中獲得證實(shí)。
也就是說，暗物質(zhì)對(duì)光線沒有直接反映，既不吸收也不發(fā)射，這點(diǎn)表明它們不能被看見的“暗”性質(zhì)。但是，暗物質(zhì)卻能通過引力效應(yīng)，間接影響到光的傳播，使光線彎曲，成為引力透鏡的“介質(zhì)”。 眾所周知，望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明對(duì)天文觀測十分重要，因?yàn)槿搜塾^測的范圍極度有限?？烧l也沒有想到，大自然早就造好了許多天文尺寸的望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡”。 暗物質(zhì)形成的引力透鏡，天文學(xué)家們能用它們做些什么呢？應(yīng)該可以有兩個(gè)方向的用途：研究背景天體和中間天體。背景源就像一個(gè)手電筒，既能照亮中間物體，又能傳過來自身的信息。目前應(yīng)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(zhì)，也就是研究其中暗物質(zhì)的性質(zhì)和分布情況。 進(jìn)一步來說，引力透鏡還可以真正發(fā)揮其“望遠(yuǎn)”“放大”的功能，從而擴(kuò)大人類的眼界，幫助天文學(xué)家們觀望遙遠(yuǎn)的星系。對(duì)遙遠(yuǎn)星系的觀測有助于研究宇宙的演化情形，因?yàn)槲覀兘邮盏降?，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(yuǎn)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(yuǎn)處的天體，實(shí)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(shí)候的部分情況么。 3. 暗能量 讀者可能會(huì)說：就算你剛才說的天文觀測資料證實(shí)了宇宙中除了看得見的星體之外，還有暗物質(zhì)，你又怎么能夠知道暗物質(zhì)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(shí)是一個(gè)有意思的問題。想想平時(shí)是如何得到各種物質(zhì)材料質(zhì)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(bào)告的物質(zhì)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(shí)。 在天文學(xué)中估算天體質(zhì)量時(shí)，人們利用的是在引力理論基礎(chǔ)上建立的各種數(shù)學(xué)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(yīng)的數(shù)學(xué)模型。這些模型，便是“稱量”宇宙的秤。數(shù)學(xué)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(xì)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(jì)算機(jī)，解出數(shù)學(xué)模型，最后得到各種成分之比例。 這是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，包括了很多物理理論、數(shù)學(xué)知識(shí)、計(jì)算技術(shù)、工程設(shè)計(jì)等等方面的知識(shí)。就物理概念的大框架來說，科學(xué)家們大概用如下方法估計(jì)這個(gè)比例。 從觀測星系的恒星旋轉(zhuǎn)速度與引力理論計(jì)算之差距，還有以星系作為引力透鏡的效果，可以計(jì)算該星系中暗物質(zhì)相對(duì)于正常物質(zhì)的比值。普朗克衛(wèi)星可以巡視整個(gè)可見宇宙中所有的星系，因而可以估計(jì)出整個(gè)宇宙中暗物質(zhì)相對(duì)于正常物質(zhì)的比值。天文學(xué)家早有方法計(jì)算宇宙中“明”物質(zhì)的總質(zhì)量。然后，從“明暗”物質(zhì)的比例便能算出宇宙中暗物質(zhì)的總質(zhì)量。 從宇宙學(xué)的角度，天文學(xué)家有兩種方法估計(jì)“宇宙的總質(zhì)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(duì)論的結(jié)論，在大質(zhì)量天體附近，時(shí)空是彎曲的，那是時(shí)空的局部性質(zhì)。廣義相對(duì)論的應(yīng)用也可以擴(kuò)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?fù)鋮s迥然不同。圖 4b 則給出了宇宙作為一個(gè)整體時(shí)的三種可能彎曲形態(tài)。 宇宙學(xué)研究宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)和形態(tài)，用來估算宇宙作為一個(gè)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(gè)整體模型涉及到一 個(gè)“臨界質(zhì)量”。如果宇宙的總質(zhì)量大于臨界質(zhì)量，比較大的引力效應(yīng)使得宇宙的整體形狀成為球面；如果宇宙的總質(zhì)量小于臨界質(zhì)量，引力效應(yīng)更弱一些，宇宙的整體形狀是馬鞍面；如果宇宙的總質(zhì)量等于臨界質(zhì)量，則對(duì)應(yīng)于整體平坦的宇宙。
根據(jù)宇宙學(xué)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(zhì)量大約等于臨界質(zhì)量。 但是，從宇宙加速膨脹得到的宇宙總質(zhì)量，或者考慮平坦宇宙應(yīng)該具有的臨界質(zhì)量，都大大超過觀測所估計(jì)的“明暗物質(zhì)”之總和。物理學(xué)家提出的“暗能量”，便是為了解釋這個(gè)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(gè)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(yán)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(xué)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(shí)。而暗能量作為一種物理實(shí)在，其本質(zhì)又如何解釋呢？對(duì)此又有兩種說法：一是認(rèn)為其是彌漫于宇宙中的某種標(biāo)量場，二是認(rèn)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(shí)際上與愛因斯坦在引力場方程中引入的“宇宙常數(shù)”有關(guān)。廣義相對(duì)論與其他物理理論類似，數(shù)學(xué)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(zhì)分布與時(shí)空幾何的方程，已知條件是空間中的物質(zhì)分布，方程的解則是時(shí)空的幾何。當(dāng)初愛因斯坦提出廣義相對(duì)論時(shí)，物理界普遍認(rèn)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(xiàng)，其目的是用以維持一個(gè)靜止宇宙的圖景。 之后，哈勃證實(shí)了宇宙不是靜止的，而是在不斷地膨脹，這個(gè)觀測結(jié)果使得愛因斯坦懊惱不已，為引入了那個(gè)宇宙常數(shù)耿耿于懷，要將“宇宙常數(shù)”收回去，認(rèn)為是自己所犯的“最大的錯(cuò)誤”。再后來，到了愛因斯坦早已去世的 1998 年，天文學(xué)家又證實(shí)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(xué)家和物理學(xué)家又把愛因斯坦丟棄的宇宙常數(shù)，當(dāng)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(gè)意外的消息，將作何表情？ 4. 暗物質(zhì)和暗能量的拉鋸戰(zhàn) 因?yàn)槎际?/span>“暗貨”，人們經(jīng)常將暗物質(zhì)和暗能量混淆。并且，根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系式：E=mc2，質(zhì)量和能量可以看作是物質(zhì)同一屬性的兩個(gè)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?yàn)槲覀兩形疵靼姿鼈兊降资鞘裁矗?/span> 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(zhì)和暗能量兩個(gè)概念在本質(zhì)上有所區(qū)別。雖然他們也許有關(guān)系，什么關(guān)系，沒人知道。人們知道更多的是兩者之不同。暗物質(zhì)吸引，暗能量排斥。暗物質(zhì)的引力作用與一般普通物質(zhì)之間的引力一樣，使得它們彼此向內(nèi)拉，而暗能量卻推動(dòng)天體互相向外分離。暗物質(zhì)的影響表現(xiàn)于個(gè)別星系，而暗能量僅僅在整個(gè)宇宙尺度起作用?？梢匀绱丝偨Y(jié)宇宙不同成分的作用：宇宙由明物質(zhì)和暗物質(zhì)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?yàn)椴煌攸c(diǎn)、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(yù)言該比值在大時(shí)間范圍內(nèi)的變化，如圖 5 所示。 圖 5 中可見，暗質(zhì)量增加宇宙中的質(zhì)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(jìn)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(zhì)究竟由什么構(gòu)成，也不清楚暗能量的作用機(jī)制，但通過天文觀測的結(jié)果，對(duì)它們有所認(rèn)識(shí)。比如說，天文學(xué)家們可以模擬暗物質(zhì)的引力效應(yīng)，研究它們?nèi)绾斡绊懫胀ㄎ镔|(zhì)，得出暗物質(zhì)一般來說，運(yùn)動(dòng)速度大大小于光速的結(jié)論。構(gòu)成暗物質(zhì)的粒子應(yīng)該是電中性的，也許具有很大的質(zhì)量。 2015 年初，暗貨領(lǐng)域又傳來了與我們過去認(rèn)識(shí)有所不同的新消息，暗貨添加了新內(nèi)容，除了暗物質(zhì)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(zhì)是由數(shù)種粒子組成的，它們會(huì)相互作用，組成暗原子、暗分子甚至暗星系？一個(gè)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(shí)驗(yàn)和觀測。 也有可能，我們的理論出了問題，廣義相對(duì)論在宇宙學(xué)的大尺度下需要修正？總之，有關(guān)暗能量和暗物質(zhì)，還有很多未解之謎，科學(xué)家們?nèi)栽诶^續(xù)努力?？梢哉f，對(duì)暗物質(zhì)和暗能量的探索和解釋是對(duì) 21 世紀(jì)物理學(xué)最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)！ 原文PDF：http://interesting-sky./interesting-sky/astronomical-database/zhangtianrong.pdf |
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