第13章 暗能量的发现

按照宇宙大爆炸理论，在大爆炸发生之后，随着时间的推移，宇宙的膨胀速度将因为物质之间的引力作用而逐渐减慢，就像缓慢踩了刹车的汽车一样。也就是说，距离地球相对遥远的星系，其膨胀速度应该比那些近的星系慢一些。

但1998年，美国加州大学伯克利分校（UCBerkeley）物理学伯克利国家实验室（LBNL）高级科学家索尔皮尔姆特（SaulPerlmutter），以及澳大利亚国立大学布赖恩施密特（BrianSchmidt）分别领导的两个小组，通过观测发现，那些遥远的星系正在以越来越快的速度远离我们。换句话说，宇宙是在加速膨胀，仿佛一辆不断踩油门的汽车，而不是像此前科学家所预测的那样处于减速膨胀状态。

这样一个完全出乎意料的观测结果，从根本上动摇了对宇宙的传统理解。那么到底是什么样的力量，在促使所有的星系或者其他物质加速远离呢？科学家们将这种与引力相反的斥力来源，称为“暗能量”。但“暗能量”到底意味着什么？至今我们能够给出的，只是一个十分粗略的宇宙结构“金字塔图景”：所熟悉的世界，即由普通的原子构成的一草一木、山河星月，仅占整个宇宙的4%，相当于金字塔顶的那一块。

下面的22%，则为暗物质。这种物质由仍然未知的粒子构成，它们不参与电磁作用，无法用肉眼看到。但其和普通物质一样，参与引力作用，因此仍可能探测到。作为塔基的74%，则由最为神秘的暗能量构成。它无处不在，无时不在，由于我们对其性质知之甚少，所以科学家还不清楚如何在实验室中验证其存在。惟一的手段，仍然是通过天文观测这种间接手段来了解其奥秘。

对Ia类型超新星（supernova）的爆发进行观测，则是目前最主要观测手段。这种超新星是由双星系统中的白矮星（whitedwarf）爆炸形成的，亮度几乎恒定。这样，通过测量其亮度，就可以知道其和地球之间的距离，进而了解其速度。

借助哈勃这样灵敏的天文仪器的帮助，我们至少可以观测到90亿光年之外，即了解宇宙在90亿年前的信息。霍普金斯大学教授阿德姆瑞斯展示的最新“暗能量”场景如下：

在大爆炸后的初期，宇宙经历了一个急速膨胀阶段。此后，由于暗物质以及物质之间的距离非常接近，在引力作用下，宇宙的膨胀速度开始减速。

然而，至少在90亿年前，宇宙中另外一种力量——表现为排斥力的发生的量的暗能量已经出现，并且开始逐步抵消引力作用。

随着宇宙的膨胀，不断增长的暗能量终于在大约50亿至60亿年前超越引力。此后，宇宙从减速膨胀，转变为加速膨胀状态，并且一直持续至今。

 暗能量的特征

宇宙暗能量其基本特征是具有负压，在宇宙空间中几乎均匀分布或完全不结团。在WMAP数据显示，暗能量在宇宙中占总物质的不到70%。值得注意的是，对于通常的能量（辐射）、重子和冷暗物质，压强都是非负的，所以必定存在着一种未知的负压物质主导今天的宇宙。

宇宙的运动都是旋涡型的，所以暗能量总是以一种旋涡运动的形式出现。所以，在暗能量的旋转范围内能形成一种旋涡场，我们称之为暗能量旋涡场，简称为旋涡场。用En来表示太阳系的暗能量，用Ep来表示物质绕太阳系中心运动的总动能。当En=Ep时，太阳系旋涡场处于平衡状态，它既不会膨胀也不会收缩。但当En衰退时，太阳系旋涡场就会收缩，太阳系中所有的行星就会向太阳靠近。

要提及暗能量，不得不先提及另外一个和它密切相关的概念—暗物质，之所以将其称之为暗物质而不是物质就是因为它与一般的普通物质有着根本性的区别。普通物质就是那些在一般情况下能用眼睛或借助工具看的见、摸得着的东西，小到原子、大到宇宙星体，近到身边的各种物体远到宇宙深处的各种星系。普通物质总是能与光或者部分波发生相互作用或者在一定的条件下自身就能发光、或者折射光线，从而被人们可以感知、看见、摸到或者借助仪器可以测量得到，但是暗物质恰恰相反，它根本不与光发生作用更不会发光，因为不发光又与光不发生任何作用，所以不会反射、折散或散射光即对各种波和光它们都是百分之百的透明体！所以在天文上用光的手段绝对看不到暗物质，不管是电磁波、无线电还是红外射线、伽马射线、X射线这些统统都毫无用处，故尔不被人们的感知所感觉也不被仪器所观测，故此为了区分普通物质和这种特殊的物质而将这种特殊的物质称之为“暗物质”。

“暗能量”相比较暗物质更是奇特的有过之而无不及，因为它只有物质的作用效应而不具备物质的基本特征，所以都称不上物质故尔将其称之为“暗能量”，“暗能量”虽然也不被人们所感觉也不被现时各种仪器所观测，但是人们凭借理性思维可以预测并感知到它的确存在。由于微波背景辐射的细致观测(WMAP的精密数据，SupernovaeIa的数据)，呈现以下一些惊人的观测结果和数据：

a)宇宙年龄是137±2亿年

b)哈勃常数是71±4公里/秒/Mpc

c)宇宙呈现以下结构，宇宙总质量(100%)≌重子+轻子(4.4%)+热暗物质(≤2%)+冷暗物质(≈20%)+暗能量(不到70%)，而总密度Ω0=1.02±0.02，亦即恰好差不多等同于平直空间所要求的临界密度。（这个公式的意思是，在整个宇宙中我们所看到的星系只占整个宇宙的约4%左右，其余约96%的物质都是我们看不见、不了解的东西。）

d)“暗能量”将呈现一些前所未有的一些全新的性质：物质的状态方程由P=Wρn所表示，(其中P是压力，ρ是密度，W是某一常数，n是某一数值)，普通物质W≥0，P≥0，ρ≥0，这就意味着物质所产生的压力表现为正数、正值。