它可能真的存在

■小溪/文

■L老師、鄭偉/審校

暗能量這個詞挺神秘，它的由來是什麼呢？

科學家們發現宇宙中存在著某種能量，好像是隱藏在黑暗中的幽靈，總是無法真正捕捉到它，這種能量被科學家們稱之為暗能量。

究竟是怎麼知道有暗能量呢？那可要追溯到愛因斯坦那個時代了，正是這個偉大的愛因斯坦從理論上提出了猜想。科學家們鍥而不捨地研究著，先是發現「宇宙正在膨脹」，後來發現「宇宙曾減速膨脹」，再後來又發現「宇宙正加速膨脹」……，相關的重要科學成果顯示了暗能量的可能存在。

有趣的是：科學家們研究了多年後居然發現：人類已知的物質僅占宇宙的4%，而人類還不甚了解的暗能量卻占宇宙的73%。暗能量在推動著宇宙的膨脹，並且，宇宙還在加速膨脹。

決定著宇宙何去何從命運的暗能量不得不令人關注，它真的存在么？

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愛因斯坦的「宇宙常數」

那是100多年前，1915年11月，猶太裔科學家愛因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）提出了一個描述物質間引力相互作用的理論——廣義相對論，並給出了相關引力場方程的完整形式，這個方程將時間、空間和物質、運動這四個自然界最基本的物理量聯繫了起來。

愛因斯坦的引力場方程（圖片來自網路）

1917年，愛因斯坦將他的廣義相對論公式應用到整個宇宙，他想看看是否能由此獲得對宇宙本質的新認識。世界上的物理學家、數學家隨即開始解其中的引力方程，方程可以得出兩種解：

第一種解是：如果宇宙僅存在引力宇宙不可能一直靜止。

第二種解是：宇宙在最初爆炸的那一瞬間獲得了一個初速度而向外膨脹，但由於引力作用往回拉，宇宙肯定越脹越慢，所以宇宙不是膨脹就是收縮，不可能靜止。

兩種解的結論在某一點上是相同的——宇宙不可能靜止。

愛因斯坦從哲學的思路來分析，覺得這兩種解都不合適。按照他的想法，宇宙應該是靜止的，不能永不停息的運動。為建立一個靜態的宇宙模型，他又向廣義相對論的引力方程引入了一項「宇宙常數」（cosmologicalconstant）。這個宇宙常數起排斥力的作用。有了這個常數，引力方程就同時具備了引力和斥力，正好能夠達到平衡，這就可以讓宇宙「靜止」下來了。

2

宇宙正在膨脹

奧地利的多普勒（Christian Johann Doppler，1803-1853）1842年就發現了一種奇特的效應：當發聲物體相對於收聽者運動時，它發出的聲音頻率雖然始終如一，可接收者接收到的聲音頻率卻前後不一。這個現象不是只有聲音才有，包括光源在內的任何頻率源，只要有相對觀測者的運動都有這種效應，被稱為「多普勒效應」。

奧地利科學家多普勒（圖片來自網路）

光是一種電磁波，當光源遠離觀測者時，接受到的光波頻率比其固有頻率低，即向長波的紅端偏移，這種現象被稱為「紅移」；當光源接近觀測者時，接受頻率增高，相當於向短波的藍端偏移，稱為「藍移」。紅移是測定天體之間距離的一種常規方法，根據紅移的量可以計算出星體遠離我們的速度。

星系光譜線的紅移和藍移現象示意圖（圖片來自中科院國家授時中心網）

基於多普勒效應，英國的哈金斯（Sir William Huggins，1824-1910）1868年仔細檢查了天狼星的光譜，他觀測到一個顯著的紅移，這可是第一顆被測量出運行速率的恆星。哈金斯推算出天狼星以大約每秒40公里的速度遠離太陽系。這個數值雖比後來測出來的每秒7.6公里速度數值大多了，不過那次測量可以說是天體徑向速度研究的起端。

英國科學家哈金斯（圖片來自網路）

1929年，美國的哈勃（Edwin PowellHubble，1889-1953）分析了與銀河系近鄰的24個星系的觀測數據后，竟然發現大部分星系的光譜都存在紅移現象，可以推算出它們都以每秒幾百公里的速度在逐漸遠離我們。哈勃還發現了一個規律（稱為哈勃定律）：一個星系的遠離速度同這個星系離我們的距離成正比，離我們越遠的星系向外運動的速度越快，這是宇宙正在膨脹的表現。

美國科學家哈勃（圖片來自網路）

這是當時震驚科學界的一個重大發現。人們一直很願意相信宇宙是靜態的，或者說很希望宇宙的膨脹是在減速進行，這樣宇宙的未來還有可能是靜態的，但這個信念被哈勃的發現徹底粉碎了。

哈勃的這一觀測結果完全與愛因斯坦引入「宇宙常數」之前的引力方程的計算結果相契合，因此很快得到世界上絕大多數科學家的認可。愛因斯坦本想引入「宇宙常數」讓宇宙「靜止」下來，但實際的宇宙是在膨脹著，以致愛因斯坦自己也認為：「引入宇宙常數是我這一生所犯的最大錯誤！」

但事實上愛因斯坦提出的「宇宙常數」並未完全被科學家們拋棄，還有部分科學家此後在將觀測結果與理論計算進行對比的時候，常常會把此常數捎帶上。如果計算結果顯示「宇宙常數」等於0，就證明該數確實不能用；反之，就證明愛因斯坦引入一個常數的思路是對的。

哈勃發現的定律後來不斷得到天文觀測的證實。隨著太空望遠鏡的直徑越做越大，人們可以觀測越來越遠的星系，就能發現越來越大的紅移。

3

宇宙曾減速膨脹

以著名天文學家哈勃名字命的「哈勃空間望遠鏡」HST（Hubble Space Telescope）1990年4月24日在美國肯尼迪航天中心由「發現者」號太空梭成功發射上天。

HST長13.3米，直徑4.3米（它的反射望遠鏡直徑為2.4米），重11.6噸，造價近30億美元。它以2.8萬公里的時速沿太空軌道運行，由於它位於地球大氣層之上，觀測清晰度是地面天文望遠鏡的10倍以上，沒有大氣湍流的干擾，HST所獲圖像和光譜具有極高的穩定性和可重複性，可以成功地彌補地面對空間觀測的不足。

哈勃空間望遠鏡（圖片來自網路）

HST於1997年拍攝到一顆超新星，編號為「1997 ff」。

所謂「超新星」就是爆炸中的恆星，它發出的亮度相當於幾十億顆恆星亮度的總和。通過超新星亮度的測定就可以判斷宇宙膨脹的速率。

美國馬里蘭州太空望遠鏡科學研究所（STScI）和勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）的科學家們對「1997 ff」超新星的亮度進行了研究，結果發現它爆發於110億年前，是當時所發現的超新星中距地球最遙遠的。

經過大量的計算和分析，科學家們確認「1997 ff」的亮度是預計正常亮度的兩倍，而且比距離更近、更年輕的超新星爆炸發出的光還要亮。只有在宇宙減速膨脹中誕生的星體，其發出的光到達地球時，該星體和地球之間的距離由於膨脹減速的原因要比預計的近，因而地球上的觀測者會發現其光要比預計中的更亮。據此可判定，超新星「1997 ff」爆發於宇宙的減速膨脹階段。

HST發現超新星（編號1997ff）（圖片來自網路）

4

宇宙膨脹正在加速

自哈勃1929年發現宇宙正在膨脹之後，科學家們一直都認為宇宙是在以某一個速度膨脹著，科學家們感到困擾的是：宇宙會一直膨脹下去嗎？膨脹的速度有多快？它會停止膨脹嗎？

在20世紀80年代，有兩個超新星觀測團隊在巡查整個天空，尋找遙遠空間中爆發的超新星，他們都想儘快通過確定這些超新星的距離以及它們離我們而去的速度，繪製出宇宙的「地圖」。為揭開宇宙的最終命運之謎，他們之間的競爭十分激烈。

「超新星宇宙學項目」（Supernova Cosmology Project）團隊由美國加州大學伯克利分校的珀爾馬特（Saul Perlmutter）領導，該項目於1988年啟動。另一個「高紅移超新星研究組」（High-Z Supernova Search Team）團隊，由澳洲國立大學的施密特（Brian Schmidt）領導，該項目於1994年啟動，里斯（Adam Riess）在此團隊中起了重要的作用。

他們發現僅用超新星來測量宇宙的膨脹並不能得到十分理想的結果，這是因為超新星的類型很多，各種類型的超新星輻射功率不一致，用它們的亮度來確定它們到地球的距離並不很準確。

這兩個團隊決定利用Ia超新星作為測量距離的「標尺」。所謂「Ia超新星」就是一種古老緊密恆星的爆發，這種古老恆星的質量重如太陽，體積卻小如地球。一個Ia超新星就能放射出如同整個銀河系的光，是超新星中最明亮的，即使相隔很遠的距離也能看到它們，最重要的是它們的亮度具有非常高的一致性。它離我們越遠，我們看到它就越暗，以Ia超新星作為測距「標尺」來觀測不同類型的超新星，研究每個超新星自爆炸以來宇宙膨脹了多少，就能確定出50億年、30億年、10億年前宇宙有多大，從而準確地描繪出宇宙是如何隨著時間而膨脹的。

左起：珀爾馬特、施密特、里斯（圖片來自網路）

由於宇宙中所有的物質之間都通過引力相互吸引，人們原以為隨著時間的推移宇宙的膨脹將會減速。兩個團隊都以為會測量到宇宙的膨脹速度如何減慢。儘管觀測及計算的過程十分複雜，但他們堅持下來了。令人沒想到的是，他們得出了驚人但卻相同的結果：所發現的約50顆Ia超新星的星光似乎比預期的要暗。而如果宇宙膨脹越來越慢的話，超新星應該顯得更亮才對。

1998年，這兩個研究團隊公布了相似的結果——今天的宇宙膨脹正在加速。這個結論與預期的完全相反，徹底改變了人類對整個宇宙的認識，成為又一項震驚科技界的發現。2011年，珀爾馬特、施密特、里斯分享了諾貝爾物理學獎。

1998年12月，宇宙加速膨脹被《Science》雜誌評為「年度科學突破」，曾被愛因斯坦一度放棄的「宇宙學常數」又回到了宇宙學的研究前沿。（圖片來自網路）

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結語

科學家們曾認為是組成恆星、行星和人的原子佔據著宇宙的主導，可根據新的探測結果，這些物質只佔宇宙的4%。物質是不會導致宇宙膨脹加速的，而只會導致其減速，這就證明宇宙的擴張並非依靠宇宙大爆炸的慣性，宇宙中一定還存在另外未知的能量在推動宇宙的擴張。究竟是什麼無形的能量有如此強大的驅動能力呢？正因為還不了解，科學家們用「暗能量」這個詞來描述它的神秘還是比較合適的。

從愛因斯坦提出「宇宙常數」到發現「宇宙正在膨脹」，後來發現「宇宙曾減速膨脹」，再後來又發現「宇宙正加速膨脹」等，相關的重要科學成果顯示了暗能量的可能存在。

實際上，現有的宇宙大爆炸理論還無法解釋暗能量在宇宙大爆炸中是怎樣出現並存在的，而珀爾馬特、施密特、里斯所發現的宇宙正在加速膨脹是否意味著它會永遠加速下去呢？最終是否會導致宇宙走向黑暗、空蕩、冰冷的結局呢？

為揭開宇宙的命運之秘，必須要真正地捕捉到暗能量，這也就是各發達國家為何均願投巨資建造各類大型探測器來搜尋這個神秘能量的原因。

宇宙膨脹示意圖

（宇宙的膨脹始於約140億年前的大爆炸，最初幾十億年裡宇宙膨脹速度越來越慢，之後，在暗能量的驅動下它開始加速膨脹）（圖片來自網路）

2、星系間的距離在逐漸變遠，http://www.ntsc.ac.cn/kxcb/kpcg/shijian/201209/t20120918_3645622.html

3、暗能量的發現者，《天文愛好者》雜誌2010年第10期

4、暗能量：宇宙加速膨脹的黑暗推手，

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3OTgzMzUzOA==&mid=2651227745&idx=1&sn=ec0788f5d259fa24f3608218168fade3&chksm=845f56ccb328dfda4f27aff56bf1998cc3da74a6073e544075dd402f0acedba30700b7a94f50&mpshare=1&scene=1&srcid=0310CbKGTijAFfuBsGjuDreq#rd

5、湯雙，改變人類認識的一座里程碑，《科技財富》2014年第5期

6、夏俊卿、張新民，暗能量研究進展，《物理學進展》第28卷第3期