解決科學經典難題系列2:暗能量——別信仰哥,哥只是一個傳說

物理學的發展在1980年之前是很迅速的,在愛因斯坦相對論與量子力學兩大支柱的支撐下,物理學有了完整的框架,對宇宙有了合理的認識。逐漸發展出了標準宇宙學模型和粒子物理學的標準模型。它們在一定程度上成功地描述著這個世界是如何運作的。可是自此之後,物理學的腳步停了。事實上,半個世紀過去了,科學家們儘管費盡了心血,極其的努力,可我們對宇宙的認識卻並不比1970年代更多。有幾大難題無法解決。我一直以來專注於科學前沿,致力於解決科學難題,為此推出《時空波動論》,發動一場科學革命。將在此推出一個解決科學經典難題系列,將困撓科學界的這些難題逐一介紹給大家,並給出解決難題的方法。讓這些科學難題漸漸露出真容,使這個宇宙不再那麼神秘莫測。敬請關注。

前文討論瞭如何解決第一個難題:暗物質。本文接著探討如何解決第二個難題:暗能量。

暗能量跟暗物質一樣,是科學家無法用現有理論解釋這個宇宙現狀,而不得不發明出來的一個概念。這就象古時候人們看月亮只在每月的15號會是滿月,其它時候月亮都缺了一部分。沒人知道這是怎麼回事,於是琢磨出了一個“天狗食月”的神話,認為天上有一條狗在吃月亮,月亮因此殘缺不全。

這個神話在現在當代看起來很好笑。但在古代卻被當成真事,人人都信。否則怎麼解釋月亮形狀的變化呢?

暗能量傳說的起源

這個暗能量也是一樣。在未來會被人們看起來很好笑,但在現在卻被當成真有其事。科學家們都不得不相信它的存在。否則這個宇宙就不會是現在這個樣子。

因為“宇宙加速膨脹”這個已經被公認的宇宙現象,實在太出乎科學家們的意外了。

宇宙正在膨脹是美國著名天文學家哈勃在1928年發現的。哈勃通過恆星光線的波譜分析,發現這些光線都有紅移。這說明恆星都在離我們遠去。這是由多普勒效應推斷出來的。當一列火車離你遠去時,其汽笛聲會越來越弱。火車向你而來時,其汽笛聲會越來越強。

天文學家哈勃

這個結論讓科學家有些吃驚。眾所周知,萬有引力在操控著天體的運行。引力是永遠將天體拉向一起的。不過科學家還是接受了這一點。因為宇宙大爆炸之後,就算由於爆炸的速度太高,天體會有一個向外飛馳的初速度,所以宇宙在膨脹,是因為這個初速度尚未歸零。預計再過一段時間,在萬有引力的作用下,宇宙膨脹將會終止,天體將會聚合起來,越來越近。最後的結果令人沮喪:宇宙最終會融合為一個小點,即奇點,所有生命都將不復存在。這個奇點再度爆炸,開始一個新的循環。不過那已經是幾百上千億年以後的事了。

更重鎊的發現是1998年產生的。科學家於1998年觀測Ia超新星得到的數據,發現宇宙膨脹的速度正在加快。在經過多次驗證無誤後,物理學家索爾·珀爾馬特(加州大學伯克利分校)、布萊恩·施密特(澳大利亞國立大學)與亞當·里斯(約翰·霍普金斯大學)“透過觀測遙遠超新星而發現了宇宙加速膨脹”,因此,共同榮獲2006年邵逸夫天文學獎與2011年諾貝爾物理學獎。

所有人都驚呆了,沒人能料到這一點。因為引力始終是向內拉扯著最外圍的天體的。最外圍天體理應停止向外奔馳的步伐,並開始向宇宙內部靠近。次外圍的天體同樣會如此,最後整個宇宙都會熱聚為一個點。

可天文學觀測都無疑證實著宇宙正在加速膨脹。這成了頭號科學未解之迷,就象一把達摩克利斯劍懸在所有科學家頭上,令他們食不甘味,睡不安枕。如果這都無法解釋的話,那可真是丟盡了科學界的臉面。讓他們無顏去拿薪水,無顏去見江東父老。

為了解決這個無法解釋的宇宙現象,天文學家發動了想象力,於是就編出了“暗能量”這個傳說。就象那個能吞掉月亮的天狗一樣,暗能量有一種神奇的排斥力,不僅能抵消掉天體之間的萬有引力,還能多出來一些,使星系之間產生斥力(天文學家還不敢說天體之間會產生斥力。否則星系就無法存在了。但讓人難解的是,既然星系之間會產生斥力,何以天體之間就只剩下引力呢?),於是星系之間就越來越遠,這個斥力會使星系之間的遠離產生加速度,所以宇宙的加速膨脹就是可以理解的了。

要想達到這個加速膨脹的加速度,暗能量的規模真不低。經過計算,暗能量的規模將是可見物質的14倍。由於暗物質已經佔去了宇宙物質規模的26%,所以宇宙質量的規模經過劃分,成了這個樣子:可見物質佔5%,暗物質佔26%,暗能量佔69%。

對暗能量的艱苦尋找

就象古代人民在想象出了天狗食月傳說後,開始想方設法找到天狗一樣,科學家從此開始在尋找暗能量的道路上負重前行,步履蹣跚。

2009年5月,歐洲太空總署發射了普朗克衛星,目的是要尋找暗能量的起源。那是一個高靈敏望遠鏡,會尋遍空間與時間,回溯數十億年,朝一切的初始前進,最後獲得我們的宇宙在137億年前的樣子,當時是大爆炸後38萬年。

“許多聰明人都試圖構想出比宇宙學常數更好的東西,或者去理解為什麼宇宙學常數(即暗能量的另一種稱呼)具有如此的數值,大致說來,他們都失敗了。”美國加州理工學院的理論物理學家肖恩·卡羅爾(Sean Carroll)說:“大自然還沒有準備好向我們透露任何有關的線索。”

從2013年9月起,一個名為“暗能量巡天”的國際項目將開始收集數據,在爆炸的恆星和古老的星系團之間尋找這些東西的跡象。旨在進一步瞭解暗能量。位於智利托洛洛山美洲天文臺口徑4米的維克托·布蘭科望遠鏡,以及一個專門設計的紅外照相機,將在廣大的天區中尋找暗能量的若干跡象。該項目主管、美國芝加哥大學的喬舒亞·弗里曼(Joshua Frieman)說:“雖然不是世界上最大的望遠鏡,但它的視場非常大。”

2021年,一個大口徑全天巡視望遠鏡將睜開它的巨眼。其他巨型望遠鏡,比如位於夏威夷的30米望遠鏡(Thirty Meter Telescope),以及同在智利的歐洲特大望遠鏡(European Extremely Large Telescope)和巨麥哲倫望遠鏡(Giant Magellan Telescope),都將在大約同一時間投入使用。在澳大利亞和南非興建的巨型射電接收器——平方千米陣也會加入。這個完整的暗能量獵手團隊,將在幾年之後組建好。平方千米陣可以通過觀測氫雲的射電輻射,追蹤宇宙的結構。到2020年,歐洲空間局和美國宇航局計劃發射一顆名為“歐幾里德”(Euclid)的暗能量探測衛星,能夠觀測宇宙更早時期的引力透鏡和星系成團。美國的大視場紅外巡天望遠鏡或許會緊隨其後。

這場穿越空間的暗能量圍獵將會驚心動魄,但科學家承認,即便嘔心瀝血,獵物很可能仍然會不見蹤影。因為暗能量實在太神秘,超出了人們的想象。

上圖是位於夏威夷的30米望遠鏡和其他巨型光學望遠鏡,將在未來10年內陸續建成並投入使用。它們和其他設備一起,將為天文學家抓捕暗能量提供有利的工具。

還有一些物理學家別出蹊徑,提出誘捕暗能量的方案,在地球上設置“陷阱”來引誘暗能量進來。英國諾丁漢大學的克萊爾·伯雷奇(Clare Burrage)說:“如果你引入一種新的場或者粒子,來充當你的暗能量,那麼它們也將成為載體,傳遞一種新的作用力。”類似“第五元素”的東西,會產生有別於引力、電磁力、弱核力和強核力的第5種基本作用力。

一個被稱為“GammeV”的項目已經在美國費米實驗室就位,已經開始搜尋一種被屏蔽的特殊暗能量,也就是所謂的“變色龍”。

儘管進展甚微,伯雷奇不願放棄。她打算搜尋更大範圍內的暗能量,靈敏度也要更高。她為了利用處於玻色-愛因斯坦凝聚態的低溫原子團來暴露暗能量的蹤跡。而決定和英國諾丁漢大學的同事埃德蒙·科普蘭(Edmund Copeland)及英國倫敦帝國學院的埃德·海因茲(Ed Hinds)合作。這種低溫原子團會像一個整體那樣,在量子波動中振盪。暗能量應該會略微降低這種振盪的頻率。這個研究團隊計劃把一團凝聚物一分為二,在其中之一附近放置一個高密度物體。如果物體屏蔽了暗能量,兩個“半團”凝聚物中的波就會脫離同步,再把它們重新放在一起時,兩者就會發生干涉。

可是到目前為止,GammeV仍然一無所獲。

大家都對暗能量的圍捕沒有多少信心。美國俄勒岡大學的斯蒂芬·許坦言:“暗能量是最大的謎團之一,我不指望自己能夠活著看到它被攻克。”

在困惑了15年之後,對於暗能量是什麼,科學家們仍然沒有任何線索。

暗能量真相

其實就象暗物質一樣,暗能量從來沒有真正存在過。

它就象是天狗一樣,被人們幻想出來,只為了解決月亮圓而又缺這個天文現象。如果人們因此去尋找天狗,當然永遠都是一無所獲。

《時空波動論》推出全新的宇宙輻射壓理論,能完美解釋宇宙星系何以能在沒有暗物質的情況下穩定存在,並在拋棄暗能量後,完美解釋宇宙加速膨脹這一世紀難題。讓大家不再人云亦云,被表面現象所迷惑,看清這個宇宙真正的真相。

宇宙加速膨脹,並不是因為暗能量,而是因為宇宙微波背景輻射。

宇宙微波背景輻射產生於宇宙大爆炸,這個大爆炸以其驚人的強度產生了無盡的光子能量與各種基本粒子。這些基本粒子相互結合成為宇宙的天體、星雲。而光子則一直在宇宙內以光速在飛行。一百三十多億年後,這些光子的能量漸漸降低,波長變長,成為了一種肉眼不可見的微波輻射。其觸角遍佈全宇宙,非常的均勻,足足給原本絕對零度的宇宙加溫了3度。

光子雖然靜止時並沒有質量,但以光速飛行時,就會有一定的動量動能。這些光子撞擊到物體上,就會產生光壓,對物體產生一定的壓力。這就是宇宙輻射壓力。

宇宙大爆炸產生了一個相當大的膨脹初速度。但由於接下來宇宙天體就將處於引力的作用下,宇宙膨脹的這個初速度再大,也將在引力的阻礙下減速,直至停止膨脹,接著就是相互靠攏,星系相撞在一起,宇宙又將坍縮為一個火熱高壓的奇點。一個炸彈爆炸後,飛向四處的彈片,在引力的作用下,最終會減速為零,掉向地面。

所以,萬有引力理論,和廣義相對論,都無法解釋宇宙沒有坍縮,反而在加速膨脹這個事實。

“暗能量”假說,又是那樣的牽強,難以自圓其說。一個佔宇宙總質量70%、卻從來沒有被觀測到過、其斥力產生的原理也沒有清楚的機制。它只能是一種假說,難以成為令人信服的科學理論。正的宇宙常數導致宇宙膨脹,但它為正的原因呢?怎麼合理解釋?僅僅設定一個正的常數,當然是很簡單的。

而用宇宙輻射壓力來取代引力後,一切就變得自然而然了。

宇宙輻射產生於宇宙大爆炸,隨著宇宙膨脹,瀰漫於宇宙的每一處空間。在宇宙的中心,其間的天體受到來自四面八方的輻射力作用,所以這個力量保持平衡。

宇宙最外圍的天體,位於宇宙最邊緣。在它的外面,向中心方向將天體內推的宇宙輻射是不存在的。大爆炸產生的輻射都是向外的。那種向內輻射,基本上是來自於天體的反彈或發射。而最外圍的外面,並沒有任何天體。對於最外圍的天體而言,將受到來自各方向的輻射外推力,而沒有任何輻射內推力。這個力量將產生一個向外的加速度,使它加速向宇宙外圍飛馳而去。

對於宇宙次外圍的天體,會受到一個向內推的輻射力。但這些內推的輻射,只是來自最外圍那幾個少得可憐的天體的自身散發的輻射和反彈的輻射。而向外推的輻射力則來自所有宇宙輻射與其他的宇宙天體反彈、發出的輻射之和。

兩者差距不是一般的大。所以,次外圍天體將受到一個向外推的力,雖然這個力會小於最外圍的天體所承受的外推力,但仍然會使次外圍天體產生一個向外的加速度,以僅次於最外圍天體的速度和加速度飛奔向更深處的空間。

同理,可知,離宇宙中心越遠,向宇宙外飛奔的加速度就越大。離宇宙中心越近,這個加速度就越小。

這同加速膨脹的宇宙現狀完全符合。天文學家測量發現,離地球越遠的天體,離開地球的速度就越大。而且,其加速度也越大。

科學,就是在不斷的質疑與糾正中才能前進。如果總是固守著前人的理論不放,固步自封,不敢越雷池一步,沒有獨立思考的能力,沒有敢於挑戰權威的精神,那已經停滯了多年的人類科學,只怕永遠也沒有前進並突破的希望。人類的科學已經停滯了太久,我們再也無法等待下去,再也不甘於被囚禁在地球上望空興嘆。宇宙永遠是我們的夢想。那就讓我們一想來迎接這場科學革命吧。人類將從此成為宇宙的主人。