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暗能量 编译｜ 云中海 20世纪20年代，天文学家认识到宇宙正在远离我们，星系距我们越远，离开的速度就越快。从逻辑上讲，这个现象暗示着所有东西都曾经是在同一个地方的。这项引出了宇宙大爆炸理论的发现，也是现代宇宙学的开端。 然而在1998年，新一代的天文学家发现，宇宙不仅在膨胀，而且膨胀速度比以前更快。没人知道是什么原因导致了这种加速膨胀，但不管怎样，它已经有了一个名字，那就是暗能量。尽管暗能量的性质依然神秘，但通过它造成的影响可以计算出它的数量。就目前可以确定的情况而言，暗能量占宇宙质量的三分之二（所以也就是三分之二的能量，E＝mC2）。因此不夸张地说，暗能量是个大事儿。如果你不理解暗能量，你就不能真正理解（物质） 世界。 最近，宇宙学家为了照亮笼罩着暗能量的黑暗，设计了三项实验——两家设址在智利，第三家在夏威夷。这些实验将追溯到几近宇宙起始的时候，并将衡量星系间以及星系和星系团间的相互关系，其结果的详细程度将是前所未有的。当实验完成的时候，哪怕暗能量的性质还没有得到解决，至少也应该变得更清晰。 以上的三项实验都是假设暗能量真的存在。不过，宇宙学界一群骨干反对者仍然不相信暗能量。他们不否认那些让别人得出暗能量假设的观测结果，但是他们否认得出的结论。对于他们来说，这些实验倒是提供了一个测试替代理论的机会。 黑暗和黎明 新实验中最先进的设备是5吨重、5亿7千万像素的暗能量相机，这台相机去年安装在了阿塔卡马沙漠智利境内海拔2200米的赛拉·托洛洛美洲天文台上。预计该相机将在几周后投入使用，它将在五年时间的525个夜晚中每晚拍摄400张夜空照片，每张容量为1GB。 这个摄影“马拉松”，是芝加哥大学的乔舒亚·弗里曼博士领导的“暗能量巡天”计划的一部分。弗里曼计划扫描八分之一的天空，仔细研究10万个星系团，并测量地球与那些星系团中3亿个独立星系的距离。 所有这一切努力，目的都是要考察星系团的大小以及它们的形状如何随时间变化，以便可以详细研究引力和暗能量间的每一次拉锯。引力具有减缓宇宙膨胀的倾向，会让星系团变得更紧凑；暗能量具有加速宇宙膨胀的倾向，会让星系团分散开来。星系团的收缩或膨胀速率显示出两股力量的相对强弱。弗里曼博士和他的同事无法跟踪任意一个星系团的变化，因为他们看到的只是星系团历史中的一个掠影。但是，观察许多年龄各异的星系团之间的不同之处，是退而求其次的好办法。 此前的观测表明，在宇宙137亿年的生命中，有一半以上的时间引力占据上风；一直到了大约60亿年前，暗能量才反超引力。“暗能量巡天”计划希望观察远达100亿光年以外的星系团，通过这种简单的权宜之计来一直回溯100亿年，对这段转变期进行仔细研究。 第二个新实验是由东京大学物理与数学研究所的村山仁领导的“斯巴鲁成像与红移测量”（SuMIRe）实验，它定址在夏威夷的一座山顶上。实验将于明年开始收集数据，方法与暗能量巡天计划相仿，但要更好。虽然它只观测十分之一而不是八分之一的天空，但它看得更远——130亿光年而不是100亿光年。比起暗能量相机，它还有更多的花招；确切地说，它有一台积分视场光谱仪，用来计算红移。 红移是天文学最重要的信息来源之一，它会告诉你一个星系有多远。红移是由多普勒效应引起的，这在地球上也是常见的现象，当警车和救护车向你接近然后远离的过程中，警笛的音调会发生变化。光也会受到多普勒频移的影响，因而一个离你远去的物体发出的光会偏红（即波长更长）。物体离开的速度越快，红移就越大。正是这一效应使得那些20世纪20年代的天文学家在埃德温·哈勃的带领下得出了宇宙正在膨胀的结论。暗能量相机缺少光学摄谱仪，它不得不依靠其他带有摄谱仪的望远镜为其进行红移测量。因此，拥有一台积分视场光谱仪是SuMIRe项目的一个优势。 第三个实验是由普林斯顿大学的莱曼·佩治开展的“阿塔卡马宇宙望远镜偏振敏感接收器”（ACTPol）项目。ACTPol与前两个项目相当不同，它不是观察来自星系的光，而是研究来自于宇宙微波背景辐射（CMB）的微波。这些微波是宇宙大爆炸后38万年左右形成的，因此保留了早期宇宙样貌的印记。 ACTPol项目也在智利，在一座名为塞罗·托哥山的山峰上。测试于2013年7月19日开始。它的目的在于观察CMB的偏振，当微波从波源穿过中间星系到达地球的时候，偏振的各个部分都将是被显著扭曲过的。从偏振观测出发，使用大量统计技巧之后就可以得到引力和暗能量对星系团的跷跷板效应（即上文的拉锯作用，原文直译为溜溜球效应）的第三个估测。 对于理解宇宙怎样从一个比电子还小的奇点演化成今天见到的浩瀚空间来说，如果这三项实验成功完成并且结果一致，那么将是一大进步。理论学家能够把新的数据放入他们的暗能量模型中，看看能得出什么东西。但其他人也能使用这些数据，而且他们可能会得出不同的结论。 疯狂到了足以正确吗 尽管天文学家在争相解释宇宙膨胀之谜，一些理论学家却在试图说明宇宙膨胀不存在。此类尝试中的最近一次，刚刚由德国海德堡大学的克里斯托夫·韦特里奇完成。他不但不相信暗能量，也完全不相信宇宙正在膨胀。 在现代宇宙学的背景下，否定宇宙正在膨胀是一种相当严重的“异端邪说”。但韦特里奇博士发表于在线资料库arXiv上的最新论文试图为这种“邪说”撑腰。 在韦特里奇博士的宇宙图景中，在其他人看来由宇宙膨胀导致的红移反而是宇宙质量增加的结果。他推断，如果原子质量比过去更轻，那么它们那时发出的光将遵守量子力学定律，比它们现在发出的光能量更低。由于能量低的光波长较长，所以天文学家现在观察它们的时候会认为它发生了红移。 乍一听起来这种想法很疯狂，因为质量守恒的观点深入到了每一个刚刚达到高中水平的物理学者心中。放弃质量守恒是件很痛苦的事，但是韦特里奇博士的提议漂亮地解决了大爆炸理论中的一个大麻烦，那就是解释宇宙开始时刻的那一点——被称为奇点——的无限密度。这是正统理论无法解释的。 但是，韦特里奇博士的模型还没有解释星系团形状的改变，这种变化是暗能量相机、SuMIRe和ACTPol正在设法搞清楚的事情。但也许有一天，韦特里奇博士的模型可以给出解释。韦特里奇博士是一个倍受尊敬的物理学家，而他的数学推导也没有明显错误。此外，他的理论允许出现一种短期的迅速膨胀，这被称为暴涨。暴涨留下的痕迹已经在CMB中观察到了。然而，韦特里奇博士认为，暴涨并不是发生在宇宙起始不久之后，因为他认为宇宙没有起始；相反，一个一直存在的小型静态宇宙转变成了一个将会一直存在的大型静态宇宙——在转变过程中变得越来越重。因此，没有奇点存在。 也许这个理论是错的。正如加拿大一家理论物理学中心——圆周研究院的克里夫·伯吉斯所说的那样，在暗能量领域，研究者很容易堕落成个个声称自己是拿破仑，而坚称其他人都是冒牌货，从而变成很愚蠢的一群人。然而理论只有在不违背观测数据的情况下才能延续下去，当新实验完成的时候，会有许许多多数据去检验那些理论，从而揭晓谁才是真正的拿破仑。因此，最后一句话也许应该用量子理论创始人之一尼尔斯·玻尔的话来结束。他曾经对同事沃尔夫冈·泡利说：“我们一致认为你的理论很疯狂。令我们产生分歧的问题在于，它是否疯狂到了足以有一个机会被证明是正确的。”
http://tech.ifeng.com/discovery/astronomy/detail_2014_01/27/33409598_0.shtml#_tansuo_wen
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