博客李淼

（SNAP，计划中的超新星探测器，专用于研究暗能量，电脑模拟SNAP的运作：http://snap.lbl.gov/multimedia/animations/snap.avi）

（《新发现》的专栏文章，勿转载）

自从在1998年被发现以来，暗能量使宇宙学界和理论物理界狂欢了十年。随着各种观测数据的增加，暗能量问题并没有得到根本的缓解，反而越来越使得思考它的人们感到不安。

问题不是暗能量存在与否，因为研究过数据的人都相信，暗能量，至少类似暗能量引起的效应，是确凿无疑的。它的存在使得宇宙膨胀加速，也使得我们找回那部分“丢失”的能量，因为爱因斯坦的理论告诉我们，如果宇宙的空间没有弯曲，必须存在足够的能量密度，这个能量密度叫做临界质量。当宇宙中的能量密度正好等于临界能量密度时，空间不发生弯曲，但宇宙还会膨胀-这是时间上的弯曲。如果能量密度低于临界密度，那么空间会像马鞍那样弯曲，这种空间原则上是无限的，没有边界。如果能量密度高于临界密度，那么空间则像球面那样弯曲，空间原则上可以是有限的。现在，许多观测结果表明，宇宙间的物质低于临界密度，而微波背景辐射的观测结果则告诉我们空间几乎是平坦的。这样，暗能量必须来填充能量的短缺。

威尔金森各向异性观测探测器（WMAP）目前运行了6年多时间，在刚过去的三月份这个研究小组发布了5年的观测数据以及分析结果，明明白白告诉我们空间基本不弯曲。假如空间是弯曲的，其弯曲的程度可以用所谓的曲率半径来衡量，就像一个球面的半径一样，半径越大，球面上的一个给定区域看起来越平。打一个比方，我们都知道地球表面是一个球面，如果我们的视界半径远远小于地球的半径，比如说是100公里，那么我们看到的区域几乎是平的。同样，在宇宙学中，我们看到的视界半径大约等于所谓的哈勃半径。观测结果表明，假如宇宙是弯曲的，那么它的弯曲半径至少是我们的视界的10倍左右。这里，10倍只是观测的不确定性引起的。随着观测数据的增加，这个数字还会增大。流行的暴涨论认为，宇宙非常平坦，所以我们期待宇宙的曲率半径会很大，如果不是无限大。

所以，需要暗能量的存在来补充暗物质以及普通物质，暗能量的存在应该没有什么问题。剩下的最关键的问题是，暗能量的能量密度是不变的，还是随着时间演化的？这几乎是目前所有研究暗能量的人最为关心的问题，因为不同的暗能量模型预言不同的演化。如果暗能量就是爱因斯坦在1917年提出的宇宙学常数，那么它不会演化。假如不幸被爱氏言中，我们就需要释这么小的常数：它比我们能够想象得到的任何数字都小，因为目前的暗能量密度大约是一立方米只有三个质子那么大。如果暗能量是演化的，也许我们有机会解释它为何这么小。也许它最初不是这么小，是宇宙演化造成的。我是为数不多的倾向认为暗能量是演化的理论家之一。当然，绝大多数研究暗能量的理论家都在研究暗能量可以演化，否则就没有机会写论文。但是，写论文是一回事，心里究竟相信什么是另一回事。

有一种非常大胆的假设，认为暗能量不但随时间变化，而且还越变越大。这是很离奇的可能，在通常的物理理论中是无法实现的。在相对论中，如果一种能量形式不满足一定的要求，就会导致灾难性的结果，就是系统变得不稳定。如果我们试图在流行的理论中实现越来越大的暗能量模型，就需要引进一种场，这种场会不断地辐射，没有止境。这种场是卡德维尔（R. R. Caldwell）在1999年建议的。由于明显的缺陷，他的文章费了将近三年的工夫才得以发表。他的文章的标题是：一种幽灵的威胁？将这种场比喻成幽灵，明显受到《星战前传》第一部的影响。

无论如何，他的文章发表了，引起很多人研究这个可能。虽然我们可以暂时假定不稳定性的威胁可以避免，越来越大的暗能量迟早会导致更加可怕的结果，那就是，在有限的时间内（可能是一万亿年，或者更短，或者更长），暗能量密度变成无限大，而无限大的斥力将撕裂宇宙中存在的任何东西，从银河系开始，到太阳系，到地球，到分子和原子，甚至原子核。这个可怕的结局，被我们称为大撕裂。

任何人都会觉得幽灵的威胁不会存在。可是，2003年左右，一些研究宇宙学观测数据的人发现，真的存在这种可能。他们发现，暗能量也许在遥远的过去不是随着时间增长的，可是在近期和现在却是随着时间增长的。今年四月的第一天，网上物理文库中出现了一篇紫金山天文台陆埮老师和他的两个学生的文章。在这篇文章中，他们假定暗能量不是常数，虽然在一些时间间段上是常数（这是一种权宜的办法），得到的结果也是这样：暗能量在近期的确在增大。而在宇宙较小的时候，暗能量是随着时间变小的。虽然他们的结果还不是定论，却似乎指向一个令人激动的方向。在同一天，俄克拉荷马大学的王云教授也发了一篇文章。她的结果也很类似，虽然王云对结果的解读相对保守。

我在2004年提出过一个所谓全息暗能量模型，可以实现越来越大的幽灵。这个模型虽然有其理论上进一步的解释问题，却不存在不稳定性问题，这是我和王一和林春山两位学生最近才证明的。不过，全息暗能量也不能避免大撕裂。当然，我们还没有必要为大撕裂担心。也许暗能量在近期是增长的，没有人能保证它会一直增长下去。

我的标题是暗能量作祟，并不是指大撕裂问题，而是指我们到现在还不能肯定暗能量是否是变化的。如果暗能量是变化的，在我们拿到确凿证据之前，还需要投入大量的人力物力来做宇宙学观测。

陆埮老师等人的文章：Constraining the evolution of dark energy with type Ia supernovae and gamma-ray bursts

王云的文章：Figure of Merit for Dark Energy Constraints from Current Observational Data

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照片：裤子大的春天（手机作品）

这篇文章发表于 2008年4月3日, 星期四 16:34:22，属于分类 宇宙学，已经被点击 10656 次。 你可以下载本文的 PDF版本和LaTeX源文件，查看 HTML打印版 或通过 新闻聚合(RSS) 来追踪这篇文章的最新评论。