暗物质、暗能量放到一起,是个太大的题目 [1]。选一个说说吧。要是给学生选题,我会选暗物质,有得做。但是知乎答题,我选暗能量,有的聊。

1. 什么是暗能量?

先请问大家一个问题:引力总是吸引的吗?

自从三百多年前的牛顿时代,自从苹果落地的故事,我们就知道 “万有引力”。万物之间,都有互相吸引的引力。后来,爱因斯坦的引力理论,广义相对论,也认为引力应该是吸引力。但是,1998年,宇宙学家通过观测颠覆了“引力总是吸引的”这个观点。

观测表明,遥远的天体正在加速逃离我们。什么是“加速逃离”呢?

比如从地球上发射一枚火箭,当火箭发动机关闭,不再有推力的时候,就算火箭能逃离地球,由于火箭受到地球引力作用,也应该是减速逃离地球的。假如自由运动的火箭能加速逃离地球,恐怕地球与火箭之间的万有引力就变成排斥力,也就是“反引力”了。

当然,我们目前还没有任何办法反转地球引力。但是如果把宇宙和遥远天体之间的关系类比做地球和火箭的关系的话 [2],宇宙学观测告诉我们,宇宙并没有为遥远的天体提供吸引力。恰恰相反,宇宙正在给遥远的天体施加排斥力,让这些天体加速彼此远离。

宇宙是通过什么东西给遥远的天体施加排斥力,驱赶天体的加速远离,也就是驱动宇宙的加速膨胀的呢?这种驱动宇宙加速膨胀的东西,我们不知道它是什么,但是既然知道它驱动宇宙加速膨胀的效用,就给它起一个名字,叫“暗能量”。按能量来算,现在宇宙中的暗能量,比我们熟悉的所有原子物质加起来,还多十多倍。

2. 暗能量是什么?

既然暗能量是推动宇宙加速膨胀的“东西”,那么这东西到底是什么呢?

宇宙常数

目前最简单,也最符合观测的暗能量模型,还是爱因斯坦当年手欠(或者说想多了,强行加戏)的结果。

1917年,也就是爱因斯坦提出广义相对论两年之后,爱因斯坦把他的广义相对论用到宇宙上,奠定了现代宇宙学的理论框架。不过,爱因斯坦梦想中的宇宙是永恒不变的,而他从他自己的引力理论中解出的宇宙,不是膨胀就是收缩。这就好比向上扔出一个小球,小球不是上升就是下降,不会静止在空中不动一样(除了上升到最高点那个瞬间)。为了让他的宇宙模型像他想得那样美,爱因斯坦人为地在他的引力方程中加入了一个用来稳定宇宙的排斥力,这个排斥力叫做“宇宙常数”。

爱因斯坦对美的追求,带给了他狭义相对论、广义相对论。但是,这次,他错了。

1920年代,哈勃等人发现了宇宙的膨胀。爱因斯坦感觉很是懊悔。因为如果他没有手欠,在他的方程中加一个宇宙常数项,那么他1917年就可以从理论上预言宇宙膨胀了。1931年,爱因斯坦放弃了宇宙常数假说,并且声称,在他的引力理论中加上宇宙常数,是他一生所犯的最大的错误。1931年爱因斯坦造访美国期间,他还特地前往威尔逊山天文台造访哈勃,赞赏哈勃的发现,奠定了观测宇宙学基础。

之后的故事,相信大家能猜到了。1998年,宇宙加速膨胀的发现,最简单的办法,就是把爱因斯坦的宇宙常数项请回来。当时爱因斯坦是用宇宙常数让宇宙保持静止的。现在把宇宙常数调大一点,宇宙里有了更大的斥力,不就可以加速膨胀了吗。于是,爱因斯坦最大的错误,又成了近年来宇宙学最大的发现。

关于暗能量本质的其它猜测

用宇宙常数来解释暗能量,看起来很美。但是量子力学天生(尽管也算是爱因斯坦生的)和爱因斯坦不对付。考虑了量子力学之后,用宇宙常数来解释暗能量就看起来很扯了。这个事我们一会再扯。

在宇宙常数解释存在缺陷的背景下,各种暗能量模型像雨后(有些也是雨前)春笋一样冒了出来。限于篇幅,这里只简略提一些。详见,例如我们的综述们 [3]。

比如说,爱因斯坦的广义相对论是不是到宇宙尺度就不对了呢?比如说宇宙那么远的距离上,引力就消失了,甚至反转了?比如说,宇宙常数是不是可以由动力学更丰富的标量场代替?比如说,暗能量背后有没有更暗的仔,在宏观调控着宇宙中暗能量的大小?比如说,是不是可以通过量子引力中的全息原理,三维空间和二维空间的关系来推导暗能量?比如说,暗能量的存在是否和人的存在有关?最后这个问题叫人择原理。最后我们还会回到这个问题上来。在此之前,我们先聊聊暗能量为什么这么重要。

3. 暗能量与宇宙命运

这个世界上最终极的三个问题,无外乎小区门口的保安会问你,你是谁?你从哪里来?你到哪里去?宇宙又是这个世界上最终极的存在。于是,宇宙的命运,宇宙将走向何方?无疑是科学界的终极问题之一。这个问题的答案,宇宙的命运,就掌握在暗能量的手上。

暗能量推动宇宙中的天体加速逃离。那么,天体都逃走了(更准确的说,逃出视界),宇宙中还剩什么呢?基本上就只剩下暗能量自己。所以宇宙的命运,取决于暗能量怎么折腾。

在未来千亿年里,如果暗能量大致表现得像个宇宙常数(如观测显示的),那么,我们看可观测宇宙中的上千亿星系几乎都会加速逃出我们的视界。最后,我们银河系只和本星系群的几十个星系通过引力抱团没有走散,互相厮守在这个孤独寂寞冷的宇宙。

这样的宇宙,正如人生。当你从小长大,你的眼界(对应宇宙的共动视界)扩展,仿佛人生有无尽可能。而当你从大变老,你的眼界收缩,人生的可能一个又一个离你而去,归于确定、人生凋零,一如永恒的终结。

但是,如果我们的眼光不局限于未来上千亿年,而是真正问一个终极的问题,那么,宇宙常数好比一条钢丝,恰好是宇宙不同命运的界限。暗能量哪怕一点点精微奥妙的偏差,也会影响宇宙的终极命运。我们刚好会行走在钢丝上吗?还是终究会滑向一方?

如果暗能量是精确的宇宙常数,那么宇宙的命运就像宇宙常数这个名字一样,宇宙永远加速膨胀下去。我们本星系群即使可以抱团,最终也像温水煮青蛙一样,被永恒加速的宇宙侵蚀、肢解。最终的宇宙就仿佛这样的一锅温水(温度约10的负30次方开尔文),偶尔飘过些许微小涟漪。而如果你愿等够久远(10的(10的(10的100次方))年,即量子彭加莱回归时间),或有一天,涟漪再潋,经典重现,宇宙如你初见。

如果暗能量未来会比宇宙常数更弱,宇宙的温度将无限降低,再没有能量补充宇宙膨胀的消耗。宇宙将终结于大冻结,宇宙无死期,只是渐凋零。

如果暗能量未来会比宇宙常数更强,宇宙的加速将越发疯狂,最终,在一个有限的时间,暗能量的大小,和宇宙膨胀的速度都趋于无穷,宇宙终结于大撕裂。一切将被宇宙膨胀肢解。

上面的三种可能,以及其中还能再分成各种细致的可能性,哪个是宇宙真正的终结?现在我们对暗能量的了解,无论理论上还是观测上,都还不足以给出一个回答。

4. 为什么暗能量是个问题?

故事讲到现在,我们都还在讨论,对于暗能量问题,我们知道什么。不过,对于暗能量问题,我们不知道的远远比知道的多。那么,暗能量问题到底是个什么问题?这里,我们用波尔钦斯基 [4] 的提法,将暗能量问题一分为三:

为什么暗能量的能量这么少?

早在1920年代,物理学界的吐槽大师泡利,就已经意识到暗能量是个问题了。

泡利意识到,真空中的量子涨落可以蕴含巨大能量(场的零点能)。这些能量可以让时空过度弯曲,例如让宇宙瞬间坍缩。正如泡利所说,“这样的宇宙甚至达不到从地球到月亮那么大”。

过大的量子能量为什么会导致宇宙的坍缩呢?因为时空好比事物存在的舞台地板。我们踩到地板上,地板稍稍弯曲一点,为我们提供支持力。但是,如果房间里忽然来了一头大象,由于它太重,恐怕就要把地板踩坏了。这样,宇宙就坍缩了。

聪明的你或许会说,没关系,我们不是有宇宙常数提供排斥力吗?好比既然大象太重,我给大象身上绑满氢气球,是不是就踩不坏地板了?

但是,由于这头大象实在太重了,你要往大象身上绑10的120次方个氢气球,才能让大象不踩坏房间里的地板。少一个也不行,多一个也不行(要不然大象飞起来撞坏天花板)。量子真空能和宇宙常数,就好比大象和氢气球,两者能量密度(好比重量)的前120位数字全都能消掉,刚好留下第121位数,就是驱动宇宙膨胀的暗能量。

比如说,大象的重量是

6468422076378016041093530053814362306160069055708726200458140181137334723521100821153729130584703216455350107430435781361 千克

10的120次方个氢气球提供的升力是

6468422076378016041093530053814362306160069055708726200458140181137334723521100821153729130584703216455350107430435781363千克

两者前120个数字都相等,到第121个数字才出现区别。

怎么会有这么巧的事情?宇宙怎么“知道”刚好要绑这么多氢气球,一个不多一个不少?这就是用宇宙常数解释暗能量带来的巧合问题,或者说精细调节问题。

不过,由于缺乏实验观测,从泡利提出真空能问题以来的70多年,直到宇宙加速膨胀发现之前,这个问题对多数人而言,正如同房间里的大象一般被无视;而对少数意识到问题的人而言,也只是曲高和寡的清谈。

为什么暗能量的能量不为零?

一个出乎意外小的数,等于零通常比不等于零容易解释。比如为什么我身上没钱?可能是因为我出门从不带钱包。可是,如果我每次出门都带上一两分钱,恐怕就比较奇怪了。

暗能量也是一样。这么少的暗能量,恰恰还不是零。这比没有暗能量还要难解释很多。所以,宇宙加速膨胀(暗能量很少但是并不为零)的发现,让我们一头撞到了房间里的大象身上,再也没办法无视暗能量的存在,而我们对暗能量的解释,则又像盲人摸象一样(但愿还是摸到了一点吧),众说纷纭。

为什么目前暗能量的能量密度和暗物质、原子物质都差不多?

在宇宙的不同阶段,物质和暗能量的比例此消彼长。比如宇宙刚诞生38万年的时候,也就是宇宙中第一束光开始自由传播的时候,按能量密度,暗能量只有暗物质、原子物质的亿分之一。而几千亿年后,我们的视界内只有本星系团的时候,暗能量又比暗物质、原子物质多上亿倍了。为什么我们现在刚好处于暗能量、暗物质、原子物质三足鼎立的时代?而这个时代刚好是智慧生命可以进行宇宙学观测的最佳时代 [5]?

这或许是个巧合吧。毕竟,我们不想把我们的存在过多纠缠于科学推理之中。但是,一会我们再说,我们的存在,或许也有点关系。

5. 为什么暗能量问题这么难?

作为物理学中最困难、最深刻的问题之一,甚至就是最困难、最深刻的那个问题,实在很难通过一篇科普介绍,来讲清楚这个问题的困难所在。不过这里我还是想试一试,向大家展示为什么暗能量问题这么难。起码,尝试展示一下,并不像暗能量问题本身那么难。

还是用大象身上绑气球的例子。就姑且假设,宇宙就“知道”,就“故意”往大象身上绑足够多的气球来抵消大象的重量,一个不多,一个不少。但是问题是,大象的重量和气球的数量,总要在宇宙诞生之初就定下来吧?但是,宇宙演化的过程(例如电弱对称性自发破缺),是可以改变气球的数量的。也就是说,为了让气球刚好在现在抵消大象的重量,宇宙不但要“知道”在诞生之初大象多重,还要会“计算”宇宙的演化会减少多少气球,以便在宇宙诞生之初,就绑刚好正确数量的气球在大象身上,让今天(而不是宇宙诞生之初)的气球抵消大象的重量。要在科学框架下构造出这么“聪明”的宇宙学模型,何其难也!

这还只是困难的开始。各种物理定律和结论,例如“等效原理”、“兰姆位移”等等,都跑过来给暗能量设立额外的规则(参见 [4])。这些规则放到一起,让解释暗能量的大小,变成了一个几乎不可能完成的问题。(当然,我希望,这只是我们不够聪明而已。)

刚好,在这个节骨眼上,一些弦论学家前来煽风点火。他们倾向于认为可能存在多个宇宙,其中每个宇宙里暗能量的大小可以是不同的。

假如这些弦论学家是对的,存在多个宇宙,每个宇宙里暗能量的大小都不同,那么,我们又不能控制我们生在哪个宇宙里面,当然解释不了我们宇宙中的暗能量大小啦。所以,多宇宙给了我们一个冠冕堂皇的投降的理由。

等等,我们真不能控制我们生在哪个宇宙里面吗?起码不会是那些瞬间坍缩的宇宙吧?起码不会是瞬间撕裂的宇宙吧?我们只能生在一个适合人类生存的宇宙当中。(或许)只有这样的宇宙当中,才有智慧生命能问这样的问题。所以,我们作为问了这个问题的智慧生命,生在一个大象身上绑10的120次方个气球的宇宙,好像还挺自然的。这个更体面的投降声明,叫做人择原理 [6]。

虽然,人择原理比“不知道”稍稍强了一丁点,毕竟还是根据多宇宙的假设,建立在“我们没法计算暗能量的大小”的基础上的。也就是说,如果相信人择原理,我们就放弃了用传统物理学方法解释暗能量的努力。更坏的是,凭什么多宇宙中只有暗能量的值不同呢?其实,弦论里面的多宇宙模型,不同宇宙里很多物理常数的值都可以改变。我们放弃解释暗能量的同时,也放弃了解释所有这些物理常数,例如泡利至死都无法释怀的137。这样,我们放弃的可不止是一个暗能量,还有基础物理的前途。

暗能量问题,就仿佛这个世代的斯芬克斯之谜。或许我们不得不放弃解答,眼看着怪兽吞下基础物理的大片疆域。但我更盼着有一天,聪明的你解开这个谜,让怪兽掩面跑开,让物理学走进新时代。

附注

[1] 这里一个常见的问题是,暗能量和暗物质有什么区别?它们都有一个“暗”字,就是说它们都不发光,我们也不理解它们到底是什么。但是,暗物质的万有引力性质与普通物质一致。而暗能量连引力性质都与普通物质不一样。

[2] 宇宙-遥远天体的关系,和地球-火箭的关系,其实不仅仅是个类比。在利用牛顿力学推导弗莱德曼方程的过程中,宇宙-遥远天体的关系,和地球-火箭的关系,遵循的方程是完全相同的。当然,牛顿力学不能处理压强导致的引力。但是,就算在广义相对论中,宇宙加速膨胀来自强能量条件的破坏,也就是说“引力会吸引物质”这个条件的破坏。另外,你可能会问:既然暗能量能实现反引力,在飞船上绑一块暗能量是不是就能反引力飞行了?可惜暗能量是均匀分布于宇宙中的。目前还没发现“一块暗能量”这样的事情。

[3] Dark Energy, Xiaodong Li, Miao Li, Shuang Wang, YW, Peking University-World Scientific Advanced Physics Series: Volume 1, Holographic Dark Energy, Shuang Wang, YW, Miao Li, Physics Reports, 696, 1, 2017.

[4] The Cosmological Constant and the String Landscape, Joseph Polchinski, https://arxiv.org/pdf/hep-th/0603249.pdf

[5] 因为这时宇宙中包含最多关于宇宙起源的信息。参见 The End of Cosmology, Lawrence M. Krauss and Robert J. Scherrer, Scientific American 2008.

[6] 人择原理并不是暗能量发现后才提出的。早在1957年,Dicke就讨论了一些关于人择原理的问题。但是,宇宙加速膨胀的发现,和弦景观模型的提出,确实把很多人赶到了人择原理这条路上。

=== 写了半天,其实并没有直接回答人家弗里德曼老人家,所以上个视频吧 ^_^ ===

Hi, Dark Energy!

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:王一

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暗物质和暗能量理论有无可能被证伪?

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