@ 2013.09.07 , 20:55

暗能量探索的新进展

暗能量,一个关于宇宙组成部分的问题。

三个用来研究暗能量这一宇宙中含量最丰富成分的实验已经开始。但也有刚刚发表的理论认为暗能量根本不存在。

20世纪20年代,天文学家认识到宇宙正在逐渐远离我们而去。离我们越远的星系离去的速度越快。这意味着整个宇宙曾经都在一个地方。这一发现导致的大爆炸理论,即是现代宇宙学的开端。

到了1998年,新一代天文学家发现不仅宇宙在膨胀,而且膨胀速度也越来越快。没有人知道是什么导致了加速膨胀,但无论是啥导致的,都应该给它命个名,于是它就被称作“暗能量”。尽管暗能量的本质很神秘,但至少它的影响程度可以使它质量能被算出来,目前的计算结果是它构成了整个宇宙质量的三分之二(如此E才等于mc2)。由此观之,暗能量在宇宙中的分量举足轻重。如果你不能理解暗能量,你就没法理解现实。

宇宙学家们因此致力于让暗能量不那么暗,这即将进行的三个新的实验——两个在智利,另一个在夏威夷——将帮助他们做到。这些实验将探索到几乎宇宙的开端、度量星系与星系团之间的关系到前所未有的细致程度。到这些实验结束时,或许我们对暗能量的认识还有悬而未解的部分,但至少会清晰明了得多。

当然,这是在暗能量真的存在的情况下。对于那些尽管认同导致暗能量理论的那些观测结果,但却否认暗能量这一结论的一小部分核心非主流宇宙学家们来说,这些实验也是一次极佳的测试替代理论的机会。

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黑暗与黎明

三个实验中最先进者,使用的是一个5吨、570m像素的暗能量相机,去年已经安装在了智利的赛拉托洛洛中美天文台,该天文台位于阿塔卡马沙漠,海拔2200米。这个实验预计开工数周,525个夜晚每晚拍下400张1GB的照片。

这一照相马拉松是芝加哥大学Joshua Friedman所领导的暗能量调查(DES)项目的一部分。Friedman的计划是扫描天空的八分之一,考察100,000个星系团,并测量这些星系团中300m个星系之间的距离。

这些努力的目的在于:追踪星系团随时间推移的大小与形状变化,能够使我们对引力与暗能量各轮较量有更为细致的了解。引力倾向于减缓宇宙膨胀而使宇宙更为紧凑,暗能量则倾向于加速宇宙膨胀而使宇宙更为分散。宇宙收缩与膨胀的速度因此展示了这两股力量的相对大小。Friedman与他的小伙伴们并不能追踪某一特定星系的变化,因为他们只能看到它历史的一个瞬间。但观察许多不同年龄的星系团已然是最佳的次优选择。

之前的观测表明,在宇宙形成后的137亿年中,一半以上的时间引力都占据了主导。仅到近60亿年间,暗能量才占的上风。DES希望能够通过观察100亿光年内的星系团,来窥探近100亿年的宇宙变化,特别研究一下这一转变过程。

第二个实验是由东京科维理宇宙物理与数学研究所的Hitoshi Murayama领导的图像与红移的斯巴鲁测量(SUMIRe),地点位于夏威夷的一座山顶。这个实验将于明年开始收集数据,收集方式与暗能量相机类似,但更好。尽管相比暗物质相机的八分之一而言,它只去观察天空的十分之一,但它能看得更远——130亿光年。它相比暗物质相机还有更多的附属功能,尤其是有一个内置的摄谱仪用于计算红移。

红移是天文学的一个重要信息来源。它能告诉你一个星系离我们有多远。红移由多普勒效应导致,一个我们尤为熟悉的多普勒现象即警车或救护车经过我们身边时,鸣笛声调会发生明显变化。多普勒效应对于光同样适用。一个离我们而去的物体发出的光相对于静止物体发出的光会显得更红(即波长更长)。物体离我们远去的速度越快,发出的光就会越红。正由于此,20年代那批由Edwin Hubble领导的天文学家们才得以发现我们的宇宙在膨胀。因此,没有摄谱仪的暗能量相机,须得借助其他望远镜来替它完成红移测量工作。拥有摄谱仪的SUMIRe因而具有这一优势。

第三个实验,是由普林斯顿大学Lyman Page领导运行的阿塔卡玛天文望远镜偏振敏感度接收器(ACTPol),则与前两者大不相同。它并不试图去观察星系所发出的光,相反,去研究宇宙微波背景(CMB)所发出的微波。CMB是约大爆炸380,000年后发出的,宇宙早期形象的痕迹。

ACTPol位于智利的托科山顶。测试已于7月19日开始,意在于观测CMB的极化。任意一处CMB的波动都有可能是在从其发出到到达地球的过程中发生了一些有意义的干扰。从这一点出发,作一大堆统计处理,第三种引力和暗能量拉锯对星系团所产生影响的估计即可出炉。

如果这三个实验成功,并且互相印证,那么这将是理解宇宙如何从一个比电子还小的微粒演变成今日浩瀚无垠宇宙的巨大一步。理论家们会将新的数据放到暗能量的模型里,看看会有什么结果。但其他人也将能够使用这些数据,而有可能得出完全不同的结论。

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足够疯狂吗?

尽管天文学家们争相恐后的解释为什么宇宙在膨胀,有些理论家却在解释宇宙膨胀为什么不存在。这些尝试中最近的一个理论是由德国海德堡大学Christof Wetterich发表。这货不仅不相信暗能量的解释,连宇宙膨胀都不相信。

在现代宇宙学的背景下,这的确算是异端学说。但Wetterich最近发表在arXiv上的文章试图为自己正名。

在Wetterich的宇宙图景里,红移并不是宇宙膨胀的结果,而是宇宙增重的结果。他解释道,如果宇宙早期的原子质量较现在更轻,那么按照量子力学理论,它发出的光应该能量更低,因而波长更长,当今的物理学家们观察到这些光于是以为是红移所致。

咋一看觉得这太疯狂了。质量不变的观念在每一个物理学家的中学时期就根深蒂固,抛弃这一观念将异常痛苦。但反过来想,Wetterich的建议能够很好的避免大爆炸理论带来的一大烦恼,即正统理论所不能解释的宇宙起始的无限密度,即奇点。

Wetterich的模型并不能——至少现在不能——解释暗能量相机、SUMIRe和ACTPol所期待发掘的星系团形状变化。但或许有一天,它也可以。Wetterich是一位很受尊敬的物理学家而且他的数学模型也并不明显就是错误的。进一步而言,他的理论能够允许已经观测到的CMB中所体现的短期加速膨胀。Wetterich仅仅认为这一加速膨胀并不发生在宇宙诞生之初,因为他认为宇宙并没有开始。因此,我们的宇宙只是从一个小的一直以来都存在的静态宇宙变成了一个大的一直都将存在静态宇宙——其中质量变得越来越大。并无所谓的奇点。

或许这个理论是错的。如圆周研究中心Cliff Burgess所说:“暗物质的问题就好像一群都自称是拿破仑而其他人都明显是冒充的。”但理论只能在不与实验数据冲突的情况下才能得以延续,而当这些新实验完成之后,它们将有多得多的数据来与其比对,因而我们能够鉴别出谁才是那个货真价实的拿破仑。也许最后一句话应该引用Niels Bohr,量子理论的奠基人之一。他曾经对他的一位同事Wolfang Pauli说:“我们都认同你的理论很疯狂。我们的分歧在于它是否足够疯狂以致有正确的可能。”

本文译自 The Economist,由译者 Gaga 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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