加速膨脹是假象？

　　●宇宙看起來似乎正在加速膨脹，表明宇宙中存在一種奇怪的未知能量形式——暗能量。問題在于，沒有人知道暗能量到底是什么。

　　●宇宙學(xué)家或許根本不需要求助于什么暗能量。如果我們居住在一個(gè)物質(zhì)密度低于宇宙平均水平的空間區(qū)域，宇宙膨脹的速率就會(huì)隨位置的不同而發(fā)生變化，這就有可能被誤認(rèn)為是膨脹速率在隨時(shí)間流逝而加速。

　　●在大多數(shù)宇宙學(xué)家看來，超級(jí)宇宙巨洞似乎很不靠譜，不過暗能量同樣很不靠譜。未來幾年的觀測(cè)數(shù)據(jù)將判定這兩種說法誰對(duì)誰錯(cuò)。

　　大尺度上物質(zhì)密度的不同導(dǎo)致空間非均勻膨脹，可能產(chǎn)生天文學(xué)家通常歸因于暗能量的觀測(cè)效應(yīng)。

　　科學(xué)界最偉大的革命，往往由現(xiàn)實(shí)和預(yù)期之間最細(xì)微的差異所引發(fā)。16世紀(jì)，哥白尼提出地球并非宇宙中心，他的立論基礎(chǔ)在當(dāng)時(shí)許多人看來，不過是天體運(yùn)動(dòng)中一些深?yuàn)W難懂的細(xì)枝末節(jié)。今天，一場(chǎng)新的科學(xué)革命，已經(jīng)隨著11年前宇宙加速膨脹的發(fā)現(xiàn)而拉開序幕。超新星亮度上的細(xì)微差異，曾讓天文學(xué)家得出結(jié)論：構(gòu)成宇宙的所有物質(zhì)成分當(dāng)中，有70%是完全未知的。也就是說，空間中充斥著一種不同于其他任何物質(zhì)的成分——它們始終推動(dòng)著宇宙膨脹，而不像其他物質(zhì)那樣阻礙膨脹。這種成分被稱為暗能量(dark energy)。 

　　10多年過去了，一些宇宙學(xué)家依然對(duì)暗能量的存在感到不可思議，甚至開始重新思考那些最初令他們推導(dǎo)出暗能量的基本假設(shè)。其中一個(gè)假設(shè)正是早期科學(xué)革命的產(chǎn)物——哥白尼原理(Copernican principle)。這個(gè)原理認(rèn)為，地球所處的位置既不是宇宙中心，也沒有任何特殊之處。如果我們拋棄這一基本原理，一套能夠解釋這些觀測(cè)現(xiàn)象而又不需要借助暗能量的宇宙圖景，就會(huì)令人驚訝地顯現(xiàn)出來。

　　大多數(shù)人都非常熟悉這樣一個(gè)觀念：我們這顆行星不過是一粒宇宙微塵，在一個(gè)毫不起眼的星系邊緣附近，圍繞著一顆普普通通的恒星旋轉(zhuǎn)。在我們這個(gè)宇宙當(dāng)中，類似的星系至少有數(shù)十億，分布之廣甚至超過我們的宇宙視界(cosmic horizon，即我們能夠觀測(cè)到的最遠(yuǎn)邊界)——這使我們相信，自己在宇宙中的位置沒有任何獨(dú)一無二之處。不過，有什么證據(jù)能夠支持如此謙卑的宇宙觀？我們又如何才能確定自己是否處在一個(gè)特殊位置上呢？天文學(xué)家通常會(huì)跳過這些問題，假定我們的微不足道是顯而易見的，不需要進(jìn)一步探討。我們或許真的處在宇宙中一個(gè)特殊的位置——考慮這樣一種可能性在許多人看來似乎是不可思議的。然而，這正是世界各地一些物理學(xué)家小組最近正在認(rèn)真思考的觀點(diǎn)。

　　具有諷刺意味的是，假設(shè)自己在宇宙中無足輕重，恰恰給宇宙學(xué)家提供了強(qiáng)大的解釋能力。根據(jù)哥白尼原理歸納而成的宇宙學(xué)原理(cosmological principle)聲稱：任何時(shí)刻，從空間中的任意一點(diǎn)朝任意方向看去，宇宙的模樣都是一樣的。這個(gè)假設(shè)讓我們可以把自己在宇宙一隅看到的東西外推到整個(gè)宇宙。宇宙學(xué)家已經(jīng)付出了巨大的努力，以宇宙學(xué)原理為基礎(chǔ)，構(gòu)建起了代表科學(xué)最高水準(zhǔn)的宇宙學(xué)模型。結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)對(duì)空間、時(shí)間和物質(zhì)的理解，宇宙學(xué)原理暗示：空間正在膨脹，宇宙正在變冷，其中充斥著來自熾熱宇宙開端的遺跡——所有這些預(yù)言都被天文觀測(cè)一一證實(shí)。

　　比如說，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，遙遠(yuǎn)星系發(fā)的光似乎比鄰近星系發(fā)的光更紅一些。這種被稱為紅移(redshift)的現(xiàn)象就能夠用空間膨脹來巧妙解釋，因?yàn)楣獠ㄒ矔?huì)隨空間的膨脹而被相應(yīng)地拉長(zhǎng)。微波探測(cè)器還發(fā)現(xiàn)了宇宙極早期發(fā)出的輻射——宇宙微波背景(cosmic microwave background)。這種大爆炸原始火球的遺跡，像一層帷幕包裹在空間各個(gè)方向，平滑得幾乎完美無瑕。公平地講，能成功解釋這些現(xiàn)象，我們自視謙卑的態(tài)度實(shí)在功不可沒——假設(shè)自己在宇宙中的位置越不重要，我們就越能夠“全面”地探討宇宙。

　　黑暗降臨

　　遙遠(yuǎn)的超新星總是暗于科學(xué)家的預(yù)期，如果堅(jiān)持宇宙學(xué)原理，這就意味著宇宙中存在暗能量。

　　既然如此，為什么我們不能安于現(xiàn)狀？如果宇宙學(xué)原理真的如此成功，為什么還要去質(zhì)疑它？問題就在于，最近的天文觀測(cè)有了一些非常奇怪的結(jié)果。過去十年來，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，對(duì)于紅移程度確定的遙遠(yuǎn)超新星來說，觀測(cè)到的亮度總是暗于預(yù)期。超新星的紅移標(biāo)明了自它爆炸以來空間膨脹的幅度。測(cè)出遙遠(yuǎn)超新星發(fā)光的紅移程度，宇宙學(xué)家就能推斷，這顆超新星爆炸時(shí)宇宙的尺寸比今天小多少。超新星紅移程度越高，它爆炸時(shí)宇宙的尺寸就越小，因此從那時(shí)起到現(xiàn)在，宇宙膨脹的幅度也就越大。

　　超新星的觀測(cè)亮度給我們提供了一種方法，能夠測(cè)量它到我們的距離，從而揭示這顆超新星爆炸距今有多久。如果一顆超新星的紅移程度已經(jīng)確定，而它的亮度看起來又低于預(yù)期，這顆超新星的距離就一定比天文學(xué)家認(rèn)為的更遠(yuǎn)。它發(fā)的光需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能傳到我們這里，這意味著宇宙從當(dāng)時(shí)的大小膨脹到現(xiàn)在的大小，一定花了更久的時(shí)間(參見右頁)。因此，宇宙過去的膨脹速度一定比科學(xué)家以前預(yù)期的更緩慢。事實(shí)上，遙遠(yuǎn)的超新星看上去非常暗，以至于宇宙必須加速膨脹才能趕上它目前的膨脹速度。

　　這種加速膨脹觸發(fā)了一場(chǎng)宇宙學(xué)革命：宇宙中的物質(zhì)本該吸引時(shí)空結(jié)構(gòu)，使膨脹速度逐漸放緩，但超新星數(shù)據(jù)暗示，情況恰恰相反。如果宇宙學(xué)家接受宇宙學(xué)原理，并且假設(shè)加速膨脹出現(xiàn)在宇宙各處，我們就能得出這樣一個(gè)結(jié)論：宇宙中必定充斥著一種能夠產(chǎn)生排斥力的奇異能量——暗能量。

　　在物理學(xué)家用來描述基本粒子和作用力的標(biāo)準(zhǔn)模型中，沒有任何東西與暗能量相符。這是一種尚未被直接觀測(cè)到的物質(zhì)，它的性質(zhì)不同于我們以往看到的任何東西，能量密度也比我們能夠作出的最簡(jiǎn)單設(shè)想低了120個(gè)數(shù)量級(jí)(根據(jù)量子場(chǎng)論推算出的真空能，能量密度是暗能量的10120倍)。對(duì)于暗能量可能是什么，物理學(xué)家有了一些想法，但至今仍然純屬推測(cè)。簡(jiǎn)而言之，對(duì)于暗能量，我們幾乎可以說是一無所知。不論暗能量可能是什么，研究人員正在著手進(jìn)行一系列雄心勃勃、耗資巨大的地面和空間探測(cè)任務(wù)，用來尋找暗能量并測(cè)定它的性質(zhì)。對(duì)許多人來說，這是現(xiàn)代宇宙學(xué)面臨的最艱巨挑戰(zhàn)。