我们的宇宙为何加速膨胀？暗能量未必是标准答案
撰文 | keith cooper
翻译 | 余其身
编辑 | 金庄维
宇宙在膨胀——这是自人类探测到源于宇宙微波背景（cmb）的微弱射电噪声以来，最深刻的宇宙学发现。1998年，两个研究团队在激烈角逐中并驾齐驱，双方都希望能够率先测得宇宙的膨胀速率。最终，他们分别宣布了各自的结论，但两边的结论都指向一个出人意料的事实：宇宙的膨胀并没有减缓，反而在加速。
这一发现让两个团队的领军人物摘得2011年诺贝尔物理学奖：high-z超新星搜寻团队（high-z supernova search team）的布莱恩·施密特（brian schmidt）和超新星宇宙学计划（supernova cosmology project）的萨尔·波尔马特（saul perlmutter）。同时获奖的还有施密特的队友亚当·里斯（adam riess），他第一个将数据拟合成图，并且发现了宇宙的异常行为。
目前就职于美国约翰·霍普金斯大学（john hopkins university）的里斯承认，这个发现在当时“让人恐惧”。他博士刚刚毕业，就被安排去拟合high-z团队一直在采集的超新星数据。
所有的ia-型超新星——白矮星热核爆炸的产物——都以非常相似的亮度和光度曲线爆炸，它们能够被校准成为“标准烛光”。标准烛光可用于测量宇宙尺度上的距离，而通过将这些距离与超新星的红移作比较，就可以知道宇宙膨胀有多快。里斯的结论是：数据表明宇宙正在加速膨胀——如此反常，以致他一度相信是自己搞错了。
然而，当波尔马特的团队表示，他们发现了同样的情况时，历史就被创造了——两篇突破性论文记载了宇宙加速膨胀这一历史性发现——一篇由超新星宇宙学计划团队发表（astrophys. j. 517 565），另一篇由high-z团队发表（astron. j. 116 1009）。
为了解释这一现象，物理学家复活了一个古老的概念：爱因斯坦的宇宙学常数。这个常数描述的是真空的能量密度——与之相随的就是“暗能量”。“普朗克（planck）”卫星任务的最新测量表明，宇宙的组成包括大约68%的暗能量、5%的普通物质和27%的暗物质。然而，暗能量的确切本质仍然是个谜。
宇宙从大爆炸开始就一直处于膨胀状态，而且在最近的五六百万年中，膨胀在加速。（图源：nasa/wmap science team）
正方论点
在发现宇宙加速膨胀后的20年中，宇宙学取得了两个主要进展。第一个观点独立证实了观测到的加速膨胀是一种真实的效应。证据来自多种渠道，其中最有力的是cmb中的重子声学振荡（baos）。
这种振荡源自大爆炸之后38万年内的早期宇宙。当时的空间充满等离子体，这片等离子海的密度足以令“声波”在其中振荡。这种声波具有特征波长，还有峰和谷——在cmb中表现为“热斑”和“冷斑”，也就是各向异性。亿万年来，在那些热斑的位置，物质凝聚为星系，其特征波长也随着宇宙的膨胀而变长。今天，星系的平均分布反映了cmb中baos的大小。就像ia-型超新星是“标准烛光”，baos是可用于测量宇宙膨胀的标准量尺。对baos的观测支持宇宙膨胀正在加速这一发现。
宇宙加速膨胀的另一个证据在于空间本身的几何性质。cmb的结果表明，我们的宇宙是“平坦的”。在这种平坦的宇宙中，欧几里得（euclid）几何学成立：如果将两条平行线无限延伸，它们仍永远保持平行。然而在弯曲的宇宙中，延伸的平行线会发散或者相交。平坦宇宙拥有一个临界质量/能量密度，它要求在宇宙的全部质量和能量中，68.3%由暗能量组成。这个比例也可以从cmb中声波波峰的间距和大小推算出来。
里斯认为，过去20年中的另一个重大进展，是暗能量的状态方程。该方程描述了暗能量的能量密度与压强的比值。由于暗能量导致宇宙膨胀而不是收缩，科学家们认为暗能量具有负压强，或者说“张力”，所以暗能量状态方程的解是个负值。理论上，在由宇宙学常数主导的宇宙中，状态方程的解是-1。但实际上，任何小于-1/3的解都会导致宇宙加速膨胀。
对我们的宇宙而言，状态方程的解是-1±0.05。这个值正是由宇宙学常数主导的宇宙所应有的，误差在5%以内。乍看起来，这似乎排除了宇宙学常数以外的其他备选方案，比如一种被称为“精质（quintessence）”的标量场。
在精质模型中，暗能量随时间和空间发生变化。但在宇宙学常数模型中，这个常数在整个宇宙中都是固定的，它意味着暗能量的强度处处相同。因为暗能量是空间本身的能量，所以随着空间的膨胀，宇宙中的暗能量越来越多，导致宇宙的膨胀越来越快。如果不加以限制，这将导致宇宙最终面临大撕裂（big tip）的命运——宇宙的结构，也就是时空“网络”被撕碎。
反方论点
故事就此结束了？未必。暗能量可能是一个变化极其缓慢的标量场，以致我们至今还无法探测到它的变化，因而表现得就像宇宙学常数。也有可能（悄悄地说），暗能量根本不存在。
科学家们对于宇宙加速膨胀这一观测结果没有异议，但是，大自然是否有可能在迷惑我们？里斯对此持开放态度：“我认为暗能量现象未必是真实的。”
问题之一在于，暗能量的理论预言强度与实验观测所得相差甚远：量子场论的计算值比观测值大了10120倍。如果暗能量的强度真有理论预测的那么大，宇宙空间的膨胀将非常迅速，以致原子之间相距太远，无法聚集形成恒星和星系。显然，我们的理论存在根本问题。
这一巨大的差异促使一些科学家考虑其他的可能性，有些还存在一定争议。在我们开始研究新的可能性之前，认识到加速膨胀与暗能量之间的区别至关重要。前者是观测结果，而后者仅仅是对前者的一种解释。
任何理论解释都必须考虑全部的观测事实：超新星、baos、cmb及其声波峰，还有星系团的生长。里斯对研究可靠性的判断就遵循这一原则，他也因此卷入了一场公开争论。
2016年，牛津大学（university of oxford）的苏比尔·萨卡尔（subir sarkar），哥本哈根大学玻尔研究所（bohr institute at the university of copenhagen）的耶珀·尼尔森（jeppe nielsen）和都灵大学（university of torino）的阿尔伯托·吉凡蒂（alberto guffanti）发表了一篇论文（scientific reports 6 35596）。他们基于对740个ia-型超新星数据的统计分析认为，暗能量的证据没有想象得那么充分。
里斯不认同他们的论证。“我认为这一工作具有严重缺陷，”他表示，萨卡尔等人进行的超新星数据分析是“不规范的（non-standard）”。事实上，劳伦斯伯克利国家实验室的大卫·鲁宾（david rubin）和布莱恩·海登（brian hayden）对萨卡尔等人的结果进行了重新分析（apjl 833 l30）。他们的结果表明，萨卡尔及其合作者的分析存在错误。
然而，萨卡尔争辩说，这种批评是“吹毛求疵”——他的团队不仅采用了最大似然评估这种常用的统计方法，而且这种方法并未假设标准的λ-cdm模型（暗能量-冷暗物质模型）是正确的模型，所以是无偏差的。萨卡尔对标准宇宙学模型持怀疑态度，声称该模型“从未经过严格的检验”。
里斯对萨卡尔等人工作的另一个批评是，该工作并未涵盖来自诸如baos、cmb等支持加速膨胀的其他所有证据。“我不知道为什么所有其他正面证据都被忽略了。”里斯困惑地说道。
对此，萨卡尔举出了一些有争议的分析进行反驳。例如艾萨克·图图萨斯（isaac tutusaus）在2017年发表于《天文学和天体物理学》（astronomy and astrophysics）的一篇论文（602 10.1051/0004-6361/201630289）中声称，他没有在bao数据中得到宇宙加速膨胀的证据。
然而，宇宙学家仍然一致认为，baos是加速膨胀的确凿证据。
巨大空洞
事实上，对暗能量存在性的挑战经常集中于我们最珍贵的宇宙学模型。宇宙学原理表明，宇宙中的物质分布（在极大尺度上）是均匀且各向同性的。然而，在稍小的尺度上，物质又是聚集成团的，形成星系和星系团。而这些星系和星系团又排布成为延伸至数百万光年的纤维状结构。
关键的一点在于，这些宇宙中的最大结构——比如斯隆长城（sloan great wall）——并不受严格的引力束缚。在这些物质“岛”中间存在着巨大的空洞（voids），那里的物质密度非常低。由于星系团和空洞区域的物质密度差异很大，引力对空间膨胀的影响并非处处相同。
空间组成.宇宙中的物质分布呈现纤维状结构，构成了宇宙网（cosmic web）。如图所示，这些纤维以暗物质为主干（图片来源于illustris模拟）。纤维之间存在着宇宙空洞（cosmic voids），那些区域的物质密度极低。一些科学家认为，这些空洞能够影响我们对于宇宙膨胀的理解。（图源：markus haider/illustris collaboration）
夏威夷大学（university of hawaii）的伊什特万·扎普迪（istván szapudi）认为，那个价值64000美元的问题不应该是这些结构是否影响宇宙的膨胀——“当然会影响”——而是，它对宇宙膨胀的影响有多大？（译注：1955年美国的cbs曾经制作出一档名为《64000美元问题》（the $64000 question）的节目，用高难度的各领域问题考验参赛者，奖金不断上升，最后一个问题则价值64000美元。）
2017年，扎普迪与人合作发表的一篇论文（mnras 469 l1）指出，λ-cdm模型没有考虑变化的结构；当你穿越宇宙的时候，就会发现空洞和星系团在发生膨胀。
典型的宇宙膨胀模型是弗里德曼方程（friedmann equation）的一个精确解。而弗里德曼方程是基于friedmann-lemaître-robertson-walker（flrw）度规的简化版广义相对论场方程，它描述了一个遵循宇宙学原理、空间曲率处处为零的膨胀宇宙。
然而，扎普迪及其合作者、布达佩斯罗兰大学（eötvös loránd university）的加博 ·拉克兹（gábor rácz）发现，采用他们的avera算法，模拟得到的宇宙膨胀速率并非处处相同，而是依赖于周围结构。由于宇宙主要由空洞构成，那些区域的引力更低，宇宙膨胀也更快。所以，只有在把各处的不同膨胀速率进行平均后，结果看起来才是宇宙的膨胀正在加速。
需要考虑多大的尺度?
大卫·威尔夏（david wiltshire）的“时间景观宇宙学（timescape cosmology）”是另一种颇具争议的暗能量替代方案。这种方案同样诉诸宇宙结构，但采取了一条不同于扎普迪和拉克兹方法的道路。
在新西兰的坎特伯雷大学（university of canterbury）工作的威尔夏质疑flrw度规的正确性。令他特别不满的一点在于，flrw宇宙学只关心最大的宇宙尺度，忽略了对单个星系和星系团的粗粒化（coarse graininess）。“在什么尺度上，物质与时空几何通过爱因斯坦方程耦合？”他问道。“我的答案是，这种耦合优先发生在小尺度上。”
在小于4.5亿光年的尺度上，宇宙中充满了空洞和星系团，它们影响着空间的物质分布及膨胀速率。宇宙中最大的空洞横贯1.6亿光年，占据了可观察宇宙总体积的40%。再加上所有更小尺度的空洞，它们占据了宇宙空间的一半以上。所以，空洞决定了整个宇宙看起来是如何膨胀的。
在时间景观宇宙学理论中，处于空洞的时钟比处于更致密区域的时钟走得快（时间流逝更快）。由此，银河系中的时钟，比一个大空洞中的相同时钟大约要慢35%。这样算起来，自宇宙诞生以来，空洞中的时间比星系团中快了数十亿年。而在那些额外的数十亿年中，空洞中的空间将发生更多膨胀。由于宇宙空间中的大部分被空洞占据，因此将所有区域——包括空洞和星系团——的膨胀速率进行平均后，宇宙在整体看来就是加速膨胀的。
尚需检验
替代方案的确令人振奋，但是里斯并未准备偃旗息鼓，放弃对暗能量的研究。“除非有人能够独立地证实暗能量不存在，否则我不会完全相信，”他说，“人们在看待问题时，都有自己的倾向性方式。但在这些（采取个人倾向性，认为暗能量不存在的）情况下，我还没看见谁能够重复他们所做的工作。”
时间景观宇宙学目前面临的一个问题是，它没有暗能量模型成熟。威尔夏表示，他的团队刚刚开始解决一个挑战：如何在不假设flrw度规的情况下减少bao的数据量。初步结果具有一定的吸引力。
用cmb数据拟合声波波峰的高度更为困难，因为这需要重新计算cmb上微小各向异性，也就是宇宙结构“种子”的演化。如果要达到与采用flrw度规相当的精度，计算中就需要考虑“反作用（backreaction）”。
标准宇宙学假设，flrw度规精确地描述了宇宙在任意大尺度上的平均生长。然而，对于时间景观宇宙学中所描述的非均匀宇宙，情况便不再如此。即使对均匀的偏离很小，正如cmb所显示的各向异性那样（译注：量级在10-5），这些非均匀偏差的平均生长，可能并不严格遵循只关心大尺度的弗里德曼方程。这些差异就被称为反作用。
“之前没有人考虑过极早期宇宙所处的等离子体中的反作用，”威尔夏说道，“恐怕也没人打算解决这个棘手的问题，除非有人证明弗里德曼方程（在那些情况下）失效。”
不过，威尔夏对此有着自己的打算。欧洲太空局（european space agency）主导的“欧几里德”（euclid）任务，将于未来十年将探测器发射进入轨道，目标是研究暗物质、暗能量和空间几何。采用克里斯·克拉克森（chris clarkson）、布鲁斯·巴西特（bruce bassett）和吕慧卿（teresa hui-ching lu）在2007年建立的方法，便能够通过这项任务采集的数据，对flrw度规进行检验。
具体而言，需要寻找的是哈勃常数（hubble constant）与天体的光度距离之间的关系。哈勃常数是空间膨胀的度量，而光度距离显示了天体的绝对星等与视星等之间的关系。哈勃常数与天体光度距离之间的关系只对空间曲率处处相同的宇宙成立，而这样的宇宙正是弗里德曼方程所描述的。如果该检验支持flrw度规，那么，时间景观宇宙学就很可能是错误的。不过，如果观测数据和flrw度规下的理论预言有偏差，情况就将如威尔夏所愿：“那会是‘游戏’开始的信号。”
空间探测.欧洲太空局的欧几里得任务，将于未来十年将探测器发射进入轨道，目标是研究暗物质、暗能量和空间几何。（图源：esa/c carreau）
哈勃常数不是常数？
哈勃常数是描述宇宙空间膨胀的基本物理量，但也常常引起物理学家的担忧。
2016年，里斯带领一个团队对近域宇宙的哈勃常数进行了最为精确的测量，观测对象还是20年前（发现宇宙加速膨胀时）的“老搭档”——ia-型超新星。他们最初选择的那些ia-型超新星，所在的星系中也包含可见的造父变星——用于测量星际距离的另一个“量天尺”。里斯的团队利用造父变星的光变周期得到的准确距离，来校准通过超新星测得的距离，并进一步将校准的方法应用于300颗更遥远星系中的ia-型超新星，从而获得准确的测量结果。（译注： 由于亮度限制，造父变星一般用于准确测量邻近星系的距离，遥远的星系需要用ia-型超新星进行测距。）
里斯团队测得的哈勃常数是73km/s/mpc。这也就是说，与观测者的距离每增加一百万秒差距（约326万光年），宇宙的膨胀速率便增加73千米/秒。然而，这一近域宇宙中的测量结果与对极早期宇宙的观测存在差距——欧洲太空局的普朗克卫星任务测得的哈勃常数为67.3km/s/mpc。
对此，里斯用人体的生长进行类比。医生可以通过测量一个孩子的身高，将数据记录下来并绘制成生长曲线图，来预测这个孩子成年时会有多高。哈勃常数的近域测量结果相当于成年人的身高，而普朗克的结果就相当于这个成人在孩童时期的身高。“我们的宇宙学模型包括了暗能量和暗物质的标准宇宙学模型，预测的是这个‘孩子’的最终身高，” 里斯说道，“但它看起来并不正确。”
我们应该如何解释两种测量结果之间的差距？一种可能性是：我们关于早期宇宙的部分假设是错误的。也许暗物质粒子不够稳定，与其他物质发生的相互作用比预期更多，这将影响cmb的性质。也可能在宇宙诞生的最初十亿年间的某一刻，暗能量激增。“我们正绞尽脑汁，试图找出其中的原因，”里斯说。
而扎普迪认为，这种差距可以解释为标准 λ-cdm模型与avera算法对宇宙膨胀进行描述时存在的细微差异。“如果没有其他原因，那么根据我们的替代理论，这一矛盾可能是宇宙膨胀历史与标准模型存在偏差的线索，”他说道，“这与理论细节无甚关联，而是预示欧几里德任务、宽视场红外巡天望远镜（wfirst）和大型综合巡天望远镜（lsst）在将来描绘宇宙膨胀历史的过程中，可能会收获有趣的发现。”
大型综合巡天望远镜（lsst）将以前所未有的精度对星系和超新星进行详细观测，改变我们对宇宙膨胀的理解。（图源：lsst project）
争论依旧
毫无疑问，无论是宇宙学常数还是精质模型，暗能量是拥有大量观测证据支持的主流理论。其他替代方案都存在很大争议。但是暗能量理论中的那些棘手的问题——比如10120这个巨大差异——并未消失。未来的观测可能进一步巩固暗能量理论的地位，也可能出人意料地将它彻底推翻。
2018年，“暗能量巡天（dark energy survey）”发布了来自3亿星系的首批数据。这个国际合作项目在智利托洛洛山美洲际天文台（cerro tololo inter-american observatory）的4米口径的布兰柯（blanco）望远镜上，装备了570兆像素的照相机decam，用于暗能量观测。随着这些数据的发布，我们将要迎来激动人心的时刻。
“让这一领域变得真正有趣的是，我不知道下一次飞跃将是什么。” 里斯总结道，“我们尚处于初步探索的阶段，不必惊讶于任何意料之外的发现。”
文章头图及封面图片来源：physics world
（k8凯发百家乐的版权声明：原文标题“the dark-energy deniers"，首发于2018年6月出版的physics world。英国物理学会出版社授权《知识分子》翻译，《赛先生》发表。中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。未经授权的翻译是侵权行为，k8凯发百家乐的版权方将保留追究法律责任的权利。
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