目前物理學(xué)家和宇宙學(xué)家們對(duì)于暗能量唯一了解的就是對(duì)它仍然一無所知，目前“暗能量”這個(gè)名詞所代指的并非一個(gè)確切的物理學(xué)概念，而是現(xiàn)今宇宙學(xué)中最為深刻的難題。

暗能量相機(jī)

暗能量相機(jī)拍下的棒旋星系NGC 1365的圖像，位于天爐座，距地球600萬光年

1953年，哲學(xué)家路德維?！ぞS特根斯坦的代表作《哲學(xué)研究》在他去世以后出版，在這部我從來沒有讀懂過的哲學(xué)著作中，作者用了很大的篇幅來研究語言哲學(xué)，闡述語言和它所代指的實(shí)體之間的關(guān)系。物理學(xué)概念的定義通常會(huì)非常規(guī)范嚴(yán)謹(jǐn)，物理學(xué)名詞所指代的物理量都有明確的定義和計(jì)量，換算關(guān)系?！鞍的芰俊币辉~顯然不是一個(gè)明確的物理概念，目前物理學(xué)家和宇宙學(xué)家們對(duì)于暗能量唯一了解的就是對(duì)它仍然一無所知，目前“暗能量”這個(gè)名詞所代指的并非一個(gè)確切的物理學(xué)概念，而是現(xiàn)今宇宙學(xué)中最為深刻的難題。

科學(xué)家們用暗能量來命名一個(gè)宇宙學(xué)的謎團(tuán)可能只是無奈之舉，這個(gè)名詞描述的實(shí)際上是一個(gè)在15年前發(fā)現(xiàn)的、宇宙學(xué)最為深刻并且令人迷惑的現(xiàn)象——宇宙正在加速膨脹。1998年，兩組研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)宇宙中Ia型超新星的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)了與人們直覺完全相反的事實(shí)——宇宙正在加速膨脹，這個(gè)發(fā)現(xiàn)使得兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)者薩爾·波爾馬特、萊恩·施密特和美國(guó)科學(xué)家亞當(dāng)·里斯獲得了2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但是在15年過去后，人們對(duì)于這個(gè)宇宙學(xué)謎團(tuán)的認(rèn)識(shí)并沒有任何進(jìn)展，我們對(duì)于“暗能量”這個(gè)名詞背后所隱含的深刻的科學(xué)內(nèi)涵仍然一無所知。

人類對(duì)于宇宙形態(tài)的幻想一直都是靜態(tài)的，這可能是一種超越科學(xué)常識(shí)的直覺性體驗(yàn)——根據(jù)牛頓力學(xué)，如果宇宙中的天體因?yàn)樽陨碣|(zhì)量而通過萬有引力相互吸引，那么宇宙最終將收縮到一起，但是這顯然不屬于人類對(duì)于未來的憂慮之一。愛因斯坦在1916年提出的廣義相對(duì)論修正了牛頓力學(xué)，把萬有引力作用通過幾何學(xué)描述出來。但是愛因斯坦在當(dāng)時(shí)仍然持有同樣靜態(tài)宇宙的概念，他也認(rèn)為宇宙的形態(tài)應(yīng)該是靜止的。同時(shí)愛因斯坦也意識(shí)到，根據(jù)廣義相對(duì)論的描述，宇宙仍然會(huì)不可避免地陷入收縮狀態(tài)，這與他靜態(tài)宇宙的觀念相悖，于是他在廣義相對(duì)論中加入了一個(gè)“宇宙常數(shù)”項(xiàng)，用來表示宇宙空間中一種相互排斥的能量用來與引力相抗衡，保持宇宙的平衡狀態(tài)。愛因斯坦當(dāng)時(shí)的想法人們不得而知，但是即使加入了宇宙常數(shù)這一項(xiàng)，愛因斯坦在當(dāng)時(shí)也不難發(fā)現(xiàn)，他所描述的整個(gè)宇宙實(shí)際上處于一種極為不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)中。愛因斯坦本人在1929年也不得不放棄了廣義相對(duì)論中的宇宙常數(shù)，因?yàn)樵诋?dāng)年哈勃望遠(yuǎn)鏡通過對(duì)宇宙的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，宇宙是在膨脹的狀態(tài)中，這與大多數(shù)人所想象的靜態(tài)宇宙不同，因此愛因斯坦只能把宇宙常數(shù)和他的靜態(tài)宇宙觀念一起拋棄，并且稱在廣義相對(duì)論中加入宇宙常數(shù)是他“一生中最大的錯(cuò)誤”。

一個(gè)膨脹的宇宙該有怎么樣的性質(zhì)和未來？因?yàn)橛钪娴男窍抵g存在引力，這種引力將是宇宙膨脹的反作用，因此，一個(gè)膨脹的宇宙在引力作用下，膨脹速度會(huì)逐漸減慢。直到20世紀(jì)90年代，人們?nèi)匀幌嘈庞钪嬷杏凶銐虻奈镔|(zhì)和能量使這種膨脹減速或是轉(zhuǎn)變?yōu)槭湛s。但是，一個(gè)加速膨脹的宇宙就完全不同了，它徹底改變了人類的宇宙觀，宇宙中的某種未知的動(dòng)力克服了引力作用，這使得宇宙的膨脹在目前看來無可阻擋。在發(fā)現(xiàn)了宇宙正在加速膨脹這個(gè)事實(shí)之后，人們命名使得宇宙加速膨脹的原因是暗能量，但是除了這個(gè)名詞，人們對(duì)于其中的原因仍然一無所知，也有宇宙學(xué)家通過類比，認(rèn)為宇宙中的引力和暗能量是相對(duì)應(yīng)的“陰”和“陽”，但是這種類比對(duì)于我們理解這個(gè)宇宙現(xiàn)象仍然毫無幫助。

坐落在智利圣地亞哥托洛洛山的美洲際天文臺(tái)

人們?cè)噲D通過現(xiàn)有的知識(shí)來理解宇宙的加速膨脹，找到其中的驅(qū)動(dòng)力，目前有幾種不同的解釋：在放棄了宇宙常數(shù)將近70年之后，人們也許需要把宇宙常數(shù)重新引入到宇宙學(xué)之中，這代表了宇宙空間的一種性質(zhì)，即空間自身可以擁有能量，這種能量使空間相互排斥，也使得更多的空間出現(xiàn)，因?yàn)榭臻g本身擁有能量，因此這種能量的密度并未降低，并且促使空間膨脹的速度越來越快。但問題是，宇宙空間為什么會(huì)有這種性質(zhì)？也有物理學(xué)家懷疑是量子力學(xué)描述的真空中出現(xiàn)的“虛擬粒子對(duì)”對(duì)抗著引力作用。當(dāng)然，還有一種可能是描述引力作用的廣義相對(duì)論本身有錯(cuò)誤，需要修正，它在更大的尺度上可能失效，引力可能反過來表現(xiàn)為斥力，造成宇宙的加速膨脹。

為了理解暗能量的本質(zhì)，科學(xué)家們需要對(duì)宇宙的歷史和現(xiàn)狀都有更清晰的理解。暗能量調(diào)查項(xiàng)目正是為了研究暗能量和宇宙加速膨脹的本質(zhì)而設(shè)立，從2012年9月開始計(jì)劃進(jìn)行5年的研究，這個(gè)由來自23家研究機(jī)構(gòu)，超過120名研究人員組成的研究項(xiàng)目計(jì)劃通過專門設(shè)計(jì)的設(shè)備進(jìn)行天文學(xué)觀測(cè)來解開暗能量之謎。這個(gè)項(xiàng)目首先將觀測(cè)描繪一個(gè)更加清晰的宇宙地圖，通過這個(gè)地圖說明暗能量隨時(shí)間變化的過程，進(jìn)而鑒別各個(gè)描述暗能量的理論模型。

暗能量調(diào)查項(xiàng)目的主要工作聽起來非常浪漫，就是數(shù)星星，或者說是數(shù)星系團(tuán)的數(shù)量，并且估算它們的質(zhì)量，但實(shí)際上這并不是一件簡(jiǎn)單的工作。在南美洲智利的賽拉托洛洛美洲天文臺(tái)（CerroTololoInter-AmericanObservatory），暗能量調(diào)查項(xiàng)目通過一個(gè)超級(jí)敏感的570兆像素的數(shù)字照相機(jī)DECam，觀測(cè)那些來自遙遠(yuǎn)星體的高度紅移的星光，DECam被安裝在該天文臺(tái)的維克多·M.布蘭科望遠(yuǎn)鏡（VictorM.BlancoTelescope）上。每個(gè)晚上，DECam大約都要拍攝400張左右的照片，這些照片會(huì)被迅速發(fā)到美國(guó)伊利諾伊州的一個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分析。

考慮到在宇宙中存在著數(shù)以億計(jì)的星系，在一定范圍的宇宙空間內(nèi)，數(shù)出在一定質(zhì)量范圍的星系或是星系團(tuán)，并且掌握它們隨時(shí)間變化的規(guī)律絕非易事，但是目前看來，這可能正是理解暗能量本質(zhì)的關(guān)鍵。因?yàn)榘的芰渴褂钪鏀U(kuò)張，星系團(tuán)的密度隨之降低，但新的星系和星系團(tuán)也會(huì)隨著引力和暗能量的相互作用而誕生。因此，如果我們?cè)敿?xì)了解了宇宙中星系團(tuán)的數(shù)目、質(zhì)量和年齡，就有可能了解暗能量與引力作用之間相互作用的關(guān)系。同時(shí)，根據(jù)不同的暗能量模型，超級(jí)計(jì)算機(jī)可以模擬估算出不同年齡和質(zhì)量的星系團(tuán)在宇宙中的數(shù)目，天文學(xué)家們正是通過這種實(shí)際觀測(cè)來分辨哪些模型更加可靠。

相比于數(shù)星系團(tuán)的數(shù)量，要計(jì)算它們的質(zhì)量更加困難。科學(xué)家們無法直接測(cè)量星系團(tuán)的質(zhì)量，只能通過幾個(gè)側(cè)面來估算，最有效的方法就是利用“引力透鏡”的方法，星系團(tuán)因?yàn)槠渥陨砭薮蟮馁|(zhì)量引起其周圍宇宙空間的扭曲，這樣當(dāng)光線經(jīng)過星系團(tuán)周圍時(shí)，就會(huì)發(fā)生扭曲，這與光線穿過透鏡造成的效果類似，因此被稱為引力透鏡現(xiàn)象。星系團(tuán)的質(zhì)量決定它對(duì)于周圍宇宙空間扭曲的程度，因此，科學(xué)家們?cè)诮邮艿絹碜赃b遠(yuǎn)星系的光線之后，通過觀察它們扭曲的狀態(tài)就可以估算出它們所經(jīng)過的星系團(tuán)的大體質(zhì)量。另外，在一個(gè)星系團(tuán)中亮紅星系的數(shù)量也和這個(gè)星系團(tuán)的質(zhì)量有聯(lián)系，通過計(jì)算一個(gè)星系團(tuán)中亮紅星系的數(shù)目，也可以大致估算出星系團(tuán)的質(zhì)量。另外，星系團(tuán)中充滿了熾熱的氣體，這些氣體會(huì)發(fā)出X射線，對(duì)宇宙背景輻射中的光子進(jìn)行散射，暗物質(zhì)測(cè)量項(xiàng)目將會(huì)聯(lián)合南極望遠(yuǎn)鏡對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)。

與天文學(xué)觀測(cè)中常用的超新星探測(cè)與重子聲學(xué)振蕩探測(cè)方式來探測(cè)天文學(xué)距離不同，暗物質(zhì)探測(cè)項(xiàng)目將會(huì)同時(shí)探測(cè)宇宙結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的速度，這種探測(cè)會(huì)帶給我們更多宇宙成長(zhǎng)的細(xì)節(jié)，同時(shí)也是對(duì)于廣義相對(duì)論的檢驗(yàn)。

探索暗能量注定是一個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)且艱巨的課題，同時(shí)也是當(dāng)今宇宙學(xué)研究中最為深刻的難題，人類更多對(duì)暗能量進(jìn)行探測(cè)和研究的計(jì)劃將逐步展開。對(duì)暗能量難題研究的深入注定將改變?nèi)祟悓?duì)于宇宙的認(rèn)識(shí)，要知道，人類所熟知的“普通物質(zhì)”只占到宇宙總量的5%左右，而暗能量則占到宇宙總量大約68%，從這個(gè)意義上說，暗能量不光是宇宙膨脹的驅(qū)動(dòng)器，也是宇宙的真面目。