迷样的暗能量 前言 自古以来人类就不断的去追求这世界的真理和答案，如同希腊时代的哲学家讨论世界的元 素一样，说到宇宙是由土壤、空气、火和水组成。但是一但提出新的理论的时候，往往会 发现一些问题是无法解决的，然後「聪明」的人类总是会给予他一些新的东西去解释一些 没办法解决的问题，如同希腊时代的哲学家无法解释为什麽月亮不会像地球上的物质一样 掉落地表（当时他们就已经知道月亮是绕着地球转的），然後给予第五元素去解释这种不 合理的现象，但是经过许久的时间，经过哥白尼和伽利略等人的努力，和最後牛顿的解释 ，终於解决的许多天文上原本不能解释或是错误的东西，可是时间一久，跟着时代的进步 ，慢慢知道恒星的质量等问题的时候，不免会发现更多不能解释的问题，然後需要更多的 天文学家和物理学家的配合才完成更多的理论解释，如同恒星为何不会受到重力的塌缩变 成一个点的问题，也经历过一段时间才解决，不是一开始就知道答案的。 时间慢慢久了，人类的知识随着时间长进，而人类的智慧是否有跟的上呢？因为当人类知 识进步的时候，以为已经懂了更多的东西，这时候往往才是发现更多问题的时候。爆炸性 理论---相对论，在二十世纪的时候打开天文和物理的一个大门，将人类的知识史上又增 进了全新的一页，广义相对论的出现更给予宇宙论模型更好的解释和呈现，可是却又带给 这世界更多的问题，更不用说後来的量子重力场论的出现，单纯理论之间的冲突就给予天 文学和物理学许许多多的问题。而天文学上出现的问题多样化也很有趣，而且有许许多多 的问题到现在一样是没有很好的解释和答案，一切如同第五元素一样的假设，不知道哪天 会被未来的人类推翻和解释？ 宇宙的神秘性依然保持着希腊时代那种神秘感，不会因为历史的演进和知识的进步而失去 ，黑暗物质和黑暗能量将是这些神秘的最代表性问题，无论是发现的过程或是更多无解的 疑惑，更是令天文学家头疼。而这两者之间的黑暗能量所带来世界的疑问更是神秘，而这 篇文章将试着给各位解开神秘面纱背後的真相。 超新星的观测 哈伯常数的观测和研究一直是寻找宇宙年龄的重点研究项目，在不断改进距离的观测法的 时候，恒星演化给予了一个新的观点，就是双星演化会因为互相的物质吸附机制，让所有 的双星演化的超新星爆炸所发出的能量和能量变化会是一个相似的值，这个发现提供了良 好的「标准烛光」，我们称他为Type Ia的超新星爆炸，所以许多研究团队也因此展开一 连串对超新星爆炸的观测。 超新星宇宙学工程(SCP)和High-Z超新星团队在做超新星爆炸的距离观测和红位移的时候 发现一个令人震惊的事情，原本一直以为现在在等速膨胀的宇宙，竟然是在加速膨胀，这 个发现将对宇宙论有重大的冲击，因为宇宙是充满着物质的宇宙，互相有吸引力才对，若 是发现宇宙在减速膨胀还说的过去，竟然现在发现他是加速膨胀。 宇宙持续膨胀这点十分的不寻常，在大爆炸理论中宇宙膨胀是可以理解的事情，宇宙中存 在着物质和辐射能这是我们知道的，而物质包含暗物质也是知道的，在宇宙膨胀的一开始 ，因为密度高的关系，曾经辐射能主宰着一切，辐射能本身代表的就是一种向外的张力， 但是随着宇宙的膨胀密度的变小，辐射能不再是主导膨胀的原因，而变成物质是主导膨胀 的主因，在这种情况下应该宇宙会因为物质的互相吸引而减速或是等速（等速是因为如同 宇宙抵达脱离动能一样，不再被彼此间的物质吸引而不断膨胀），所以说加速膨胀的宇宙 显的不寻常。 说到这里大家都会想起一位过世的伟人--爱因斯坦，他在他的广义相对论中曾经放下一个 宇宙常数，因为他的广义相对论的解将会给予宇宙一个收缩毁灭的型态，因为宇宙中的物 质彼此互相吸引的关系，因为爱因斯坦深信宇宙是稳定不变的，即使加上一个没有物理解 释的常数也没关系。 但是这个宇宙常数在哈伯发现星系的红位移提出宇宙膨胀理论的同时，也被爱因斯坦删掉 了，然後爱因斯坦也公开认为这是他一生中犯的最大的错误，但是宇宙加速膨胀的事情发 现，给予了宇宙常数复活的机会，虽然说宇宙常数一开始的意义跟宇宙膨胀一点关系也没 有，可是却对用来模拟宇宙膨胀模型有很好的效果。这地方提一个提外话题，许多人穿凿 附会说，是否爱因斯坦当时就猜对了？我想这一切只是巧合而已吧！也许是上帝开大天才 爱因斯坦一个玩笑。 宇宙的组成和暗能量的关系 Type Ia的超新星爆炸刚刚说过，可用来研究以时间为函数的宇宙膨胀。在观测证据中， 超新星爆炸显示出的红移变化，显示了宇宙正受不明的拉力而加速膨胀，就如同从树的年 轮中可看出地球长期的气候变化。这时候天文学家和物理学家提出了一个新名词-暗能量 ，这新名词的出现显示着将来的理论物理学家和天文学家又有新的事情可以忙碌了！後来 我们透过宇宙微波背景辐射的微温度起伏和大尺度的星系团观测，和超星新爆炸的哈伯常 数观测结论，定下暗物质的量，发现暗能量与临界密度的比值说明了暗能量占宇宙组成的 2/3重大结论，引发许多的讨论。 宇宙的临界密度的研究开始後，大家就会开始去想到底我们这宇宙中所知道的物质到底和 临界密度差多少？经过计算後发现，即使加上暗物质进去，所有的物质站宇宙的临界密度 似乎好像只有1/3左右，这个问题疑惑了研究人员很久，是否是这宇宙就只有这样的东西 ，或是有更多的东西没被我们发现？幸好暗能量的发现给予了另外2/3的答案，但是却又 丢给大家更多的问题，因为这宇宙内的东西总合是否真的一定等於临界密度？也许不一定 要啊！ 这问题後来有人提出一种解释，我们这宇宙如同一只笔站立着，若是这只笔不能不偏不倚 的站立，即使微小的偏左或是偏右，都会造成倒下的结局。他在说我们这个宇宙，若是组 成的结果跟临界密度差太多，就会造成倒下的结局，就是说不会像我们现在这样的宇宙， 虽然说现在的结论还没很确定的定下来，因为数据结果说明很接近但是又不是说明就是， 但是这人大胆的说总合就是等於1，这麽完美的数字似乎不是巧合。 我们称宇宙中的物质密度和临界密度的比值为ΩM，然後称宇宙中的黑暗能量和临界密度 的比值称为ΩΛ，然後写下ΩΛ＋ΩM＝1这条有名的式子，短短的式子背後却背上了许多 宇宙演化的意义和问题在里面。至於现的研究，有SNAP卫星天文台能藉着重力透镜效应， 测量天空的数以千计的远距离超新星爆炸和定位数十万的天球角度。由测量结果将可得到 过去的100亿年详细的宇宙膨胀历史，并定义空间曲率以提供红移的基本测试---驱宇宙大 尺度结构的演化， 其观测结果还可以精确地测量宇宙的主要组成：ΩM和ΩΛ和暗能量的 行为和其演化历史。 描述暗能量的重要参数----ω 为了方便我们去了解或是描述暗能量造成的现象，我们必须制造出一个模型去描述他！但 是我们的每天的接触的都是一般的物质和能量，像是万有引力有吸引力，所以很难想像相 反的重力是什麽样，这使我们很难去思考。幸好广义相对论给我们一个很好的想像，广义 相对论对於重力的概念比较像将空间弯曲，如果给予空间一个压力，因为空间是弯曲的， 所以物体的路径和光的路径就会改变，如果我们现在观测到的重力一样。这种概念我们就 先称他为给予空间的压力是正压力好了，那麽负的压力就是空间如同突起一样，变成我们 所谓的反重力，这样的概念让我们很容易去建立模型，但是反重力怎麽来呢？我们如果说 一般重力是物质给予空间压力，那麽也可以想像有一种「真空能量」在给予空间负压力， 这就是一种暗能量的想法。 之前说到过，很多人认为暗能量是爱因斯坦的宇宙常数大复活，但是我认为一点都不是， 只是巧合。说到这就先说「爱因斯坦版的真空能量」，如果压力是正的，重力是有吸引力 的；如果压力是负的，重力则具有反向的排斥力。藉此，为了方便研究和描述，宇宙论研 究者将「压力对能量密度」的比率以ω来表示，在正常的气体之下，ω是正的，并且与温 度成正比，但是在某些情况或是系统下，ω也可能是负的。如果ω小於 －1/3，重力就会 变成反向的斥力。从数学上来看，能量守恒定律要重新定义为「能量密度的变化率与ω＋ 1成正比」。在爱因斯坦那时代，他为了解是他的静止宇宙的想法，他认为真空能量的密 度在定义上从未改变，所以「ω＋1」的总和一定是零。换句话说就是，ω必须等於－1， 因此压力一定是负的，这样爱因斯坦版的真空能量就定义出来了。 但是到了CMB（宇宙微波背景辐射）研究暗能量开始之後，对很多重要的宇宙学参数来说 ，开始可以提供很精确的测量结果。我们将CMB的观测资料与超新星爆炸的资料结合来看 ，可以推出来ω的范围：－1.2＜ω＜－0.8（ω for cosmological constant is－1；ω for matter is 0；ω for radiation is 1/3）。但是某些科学家指出，若要正确测量 ω的大小，必须结合观测宇宙大尺度结构与CMB的微小温度起伏，因为暗能量影响着宇宙 膨胀，而CMB的温度起伏会因为暗能量的ω值不同而去影响宇宙大尺度结构的形成。从大 尺度CMB的温度起伏与大尺度测量星系团的红移资料中，可以得到ω值小於－1，而且必定 不等於－1，这就说明我们所观测到的暗能量和爱因斯坦的真空能量一点关系都没有，只 是恰巧可以用同样的数学式子去研究而已。 Quintessence 对於ω值的大小，是目前研究暗能量的重要议题，然而各方说法不一，这将会是暗能量带 给天文学上另一个新的疑问。但很幸运的是，真空能量不是产生负压的唯一的方法。 另 一个方法与真空能量不同，是一种因空间和时间而变化的能量来源 ---称之为「 quintessence」。 对「quintessence」来说，ω没有固定值，但是必定少於 －1/3，才 能使得重力是排斥力。「quintessence」可以有很多形式。 最简单的模型是一种量子场 域，它的能量变化十分缓慢以致看起来像恒定的真空能量一样。 「quintessence」与「 inflaton」 主要差别是「quintessence」比「inflationa」弱得多。因为它负压力不那 麽大，所以「quintessence」的加速膨胀的宇宙没有像真空能量一样强烈。 这样奇特的场域将来自哪里？有一种奇特的说法，这是在说「quintessence」可能可以用 额外维度的物理学去解释，而在短期之内，宇宙论学者则将专注於是发现「quintessence 」的存在，它有可观测的结果也许比较重要。因为它的ω值不同於真空能量的ω值，它可 产生不同的宇宙加速膨胀率。 经由观测远距离的超新星爆炸，可以更准确地区别这两种 情况。目前已经有两新天文台SNAP和LSST在研究解决这些议题。 量子重力场论的出现 在暗能量方面一直停留在描述上面，一直没有一种可以解释这种现象物理概念出现，即使 是广义相对论的宇宙常数或是ω值一样都是用来描述暗能量和宇宙论的关联性，可是一直 没有解决暗能量的物理意义，因为一直找不到反重力的理论，直到支持quintessence的物 理学家提出量子重力场论。 在量子力学测不准原理中提到过没有东西是我们可以测准这种概念，这当然也包含了真空 下的能量是否为零这个重要的意义，既然测不准，真空的能量想必也不会安分的是零，而 是为在零这个点附近震荡，在正负值间排回，我们称他为真空中的零点震荡。你可以想像 一下物质是个借贷狂，跟宇宙借贷能量然後产生正物质和反物质，然後接着又成对消失， 然後出现的时间我们可以利用测不准原理去推出来ΔE×Δt≧h/4π。然後重点来了，因 为物质和能量的互换关系，说明了要产生能量可以用质量去转换，若是要产生质量的话， 势必需要用能量去转换，就是说若是真空状态下若是要产生物质，就必须跟宇宙借贷能量 ，等待正反物质的接触产生的能量去还给宇宙，这观点很奇妙，因为这样说明了宇宙将会 在一瞬间能量是负的，然後平均来看的能量是零。 到了几年前，Robert R. Caldwell, Rahul Dave 和Steinhardt，在宾州大学的聚会中指 出一种量子重力场论，它不像电场或磁场，是一种反重力的能量，如同回到希腊时代的哲 学思想中的第五元素一样。他是融合了狭义相对论後形成的新理论，他是他是量子，所以 保持着机率性，然後他又有场的性质，若是你要对量子场论要有个视觉上的比喻的话，就 先想像一个古典的场，像一个弥漫着无形场线的空间，只不过你需要做两点的修正，一个 是量子场是由粒子构成的，另一个是你要想像能量像粒子一样形式的运动，在时空中穿梭 的时候是不停的从一个量子场跳到另一个量子场不断这样的来回震荡。 这理论的出现不只给予了暗能量一个新的解释，还在电子的模型上有很好的预测，更将强 弱作用力和电磁力合并的解释。但是量子场论却又和爱因斯坦的广义相对论冲突，因为广 义相对论中提到，若是没有质量的话，空间是平坦的，但是量子场论却会对微小尺度的空 间上产生波动，像泡沫一样，这又形成了新的问题。 M理论 在广义相对论和量子力学的冲突下，开始有人想要去解决这两者之间的问题，最後提出了 一个新的理论，叫「弦论」。弦论是将所有的空间物质都用高维度的弦震荡去解释他，然 後高维度的空间就在我们这世界中卷曲在很小的尺度下，很像一种感觉，我们可以用高科 技的投影技术，将一张2D平面的东西投影出3D的视觉效果一样，我们这个世界有着更高维 度的空间卷曲在一起。然後弦论的微扰确实是一种特别的想法，一种近似的概念去解释现 象。 这种观点就是额外维度的开始，事实上额外维度的讨论早就在场论发展和研究的时候出现 过，尤其是在讨论重力场的概念。我们知道高斯定律所推导出来的电磁力和距离的平方成 反比，这是跟空间是三维的有密切的关系，若是空间不是三维的则不是平方反比，但是物 理学家已经常试过很小尺寸下的电磁力的测量，无论是到多小的尺度下，我们依然发现电 磁力的大小依然和距离的平方成反比，对於空间的维度是否有额外一点帮助也没有，所以 就停摆了一阵子。但是有没有想过另一件事情，就是重力的大小事实上都没有人做过精密 的测量，我们往往是看巨大尺度的星体运动发现是跟距离的平方反比，但是却很少人将物 体拿到公分以下做重力的精密测量。 师大物理系的张嘉宏教授说到，他们在很小尺度下测量重力的时候，似乎不是跟距离的平 方成反比，若这是真的，则说明了额外维度的存在，这似乎也间接说明了为什麽重力的强 度或只有电磁力的10-30倍，因为许多的重力场线可能跑到其他维度的空间里面去。在这 里讲个提外话，史帝芬霍金提出了一个解释暗物质的奇妙观点，他说也许就是因为重力可 以穿过三维度的空间抵达其他维度去的关系，导致其他维度的物质产生的重力场线穿透到 我们这宇宙中，让我们发现星系的质量似乎增加，这时候也许另一个平行宇宙的人们正在 想，为什麽他们的星系质量似乎减少。 我们回来看弦论的发展，弦论的建立和发展一路走来很不顺利。一开始有着所多不同的理 论，如I型、II型、IIA型、O型杂弦和E型杂弦，这彼此之间互不相关。直到M理论的出现 ，当维度增加到10维或是11维的时候（11维比较可能），可以将前面的五种弦论整合起来 ，原来前面五种型态是同一种型态的特殊形式，如同一个人面对不同人群却会有不同的人 格一样。M理论的出现目的就是要将广义相对论和量子力学整合起来，变成所谓的大一统 理论。但是这里我又提出一个醒思，是否又是一个多余的假设和结论呢？有待将来的人类 为我们评量。 暗能量的未来展望 人类经过许多的时间，在摸索中将宇宙的模型慢慢建立了起来，曾经经历过许多次的大辩 论和物学的修正，如今又遇到暗能量这个大难题，在还没真正确定他是什麽东西的情况下 ，众多的天文学家和物理学纷纷提出了观测证据和解释，无论是新天文台SNAP和LSST将继 续对於「quintessence」的研究，或是将来要用更高的解析度去看宇宙微波背景辐射的微 小温度变化，或是ω值的大小，或是M理论和大一统理论，这些观测和理论的提出都是为 要解决暗能量的性质等问题，但是或许还有更多的可能性我们没有发现到，或者事实上暗 能量是更多不同的理由结合产生的结果，我们人类花了许许多多的时候却一点也没看透他 ，如同看两的巨人在下棋，我们人类花了这麽多时间也许看出了哪几颗棋该怎麽走，但是 距离成为一个下棋高手还久远的呢！ 对於如此迷样的暗能量，人类还是会去期待有解答的一天，这将会是帮助我们更了解宇宙 的演化，甚至说是更了解这世界的真理，虽然说天文学和宇宙论经历过许许多多次的错误 和修正，但是换来的却是更多的问题有待去解决。说不定暗能量根本不是一种真实的能量 形式，也许他是宇宙多维度空间本来的一种特性，或是根本没有答案，这一切都有待将来 的人类去好好发现研究他。 期待人类在历史的快速演进和知识爆炸的时代中，能够有足够的聪明和智慧育应付，对了 ！更重要的是，我们也许需要更好的运气！ 参考资料 Nature 杂志，2004年九月版 ---（What is dark energy ？）by Lawrence M. Krauss 优雅的宇宙，作者布莱恩．格林恩 (Brian Greene) ，台湾商务出版社 物理学宇宙（The Physical Universe），作者Frank Shu 胡桃里的宇宙，作者Stephen Hawking，大块文化出版社 SNAP ---http://snap.lbl.gov/ -- ◤◥ Origin: 国立台湾师范大学˙精灵之城 bbs.ntnu.edu.tw ◣◢ Author: liuiii 从 140.112.25.192 发表