对于占据宇宙2/3的暗能量，我们仍然一无所知，只有想象力丰富的各种猜测。现在，科学家已经上天入地开始全面围捕暗能量，希望能够逮到蛛丝马迹，确认它的真正身份。图片来源：blogspot.com
（文/ Stephen Battersby）自打发现有一种神秘的东西在把宇宙扯开，这15年来我们一直在绞尽脑汁。但我们仍然不知道它是什么。它无处不在，却又无法被看见。它在宇宙成分中占据了超过三分之二，但我们不知道它从何而来，又由什么构成。美国加州理工学院的理论物理学家肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）说：“大自然还没有准备好向我们透露任何有关的线索。”
不过，至少我们为这种最神秘的东西起了个名字：暗能量。现在，对它的追捕正在进行。2013年年底，天文学家将启动一项新的巡天，在爆炸的恒星和古老的星系团之间寻找这些东西的迹象。一系列的空间任务和地面上的巨型望远镜很快也会加入其中。同时，一些物理学家正在探求一个非正统的想法：在实验室里诱捕暗能量。
迄今为止，我们对暗能量仍知之甚少，所知的或许只限于3点。第一，暗能量是向外推的。1998年，我们首次留意到了这一点，因为我们发现某一类超新星爆炸的亮度暗得出乎意料，说明它们的距离远过我们的预期。空间似乎从某个时刻起开始了加速膨胀，就好像有一种斥力抵御着物质间的引力在向外推动一样。
第二，暗能量大量存在。星系的运动和成团能告诉我们宇宙中有多少物质，而大爆炸后38万年时发出的宇宙微波背景辐射，则向我们透露了宇宙中物质和能量的总密度。这第二个数字要比第一个大得多。根据最新的观测数据，包括欧洲空间局普朗克卫星的微波观测，宇宙中大约68％的成分是以非物质的、表现为斥力的能量形式出现的。在每立方千米的空间中大约有1焦耳。
第三，暗能量让物理学家富于创造力的思维充满了活力。他们已经提出了数百种不同且充满想象力的理论。
其中最平淡的，当属宇宙学常数，不过即便如此，它仍属于“狂野之物”。它是空间固有的能量密度，在爱因斯坦的广义相对论下会产生斥力。随着空间膨胀，它会越来越多，使得它的排斥力超过因物质日益分散而逐渐变弱的引力。粒子物理学甚至为它提供了一个起源：在充满了不确定性的量子真空中不断出现和消失的虚粒子。但问题是，这些粒子的能量太多了——根据最简单的计算，每立方千米含有的能量约为10120焦耳。
这一灾难性的差异，为琳琅满目的其他替代理论留下了生存空间。比如说，暗能量有可能是“第五元素”（quintessence，又译作“精质”），一种假想的能量，能渗透进空间，随时间改变，甚至能在不同的地方聚集。它也可能是一种经过修改的引力，在远距离上表现为斥力。又或者，它是地球在宇宙中所处的特殊位置造成的错觉。暗能量还可能是波长比可观测宇宙大万亿倍的无线电波，甚至有可能是更奇特的东西。
“许多聪明人都试图构想出比宇宙学常数更好的东西，或者去理解为什么宇宙学常数具有如此的数值，”卡罗尔说，“大致说来，他们都失败了。”
黑暗降临
观测暗能量是否会随时间变化，是做出裁决的一种方式。如果它确实随时间演化，宇宙学常数就可以排除了：作为空间的固有特性，它的密度应该保持不变才对。与之相反，在大多数“第五元素”模型中，随着空间的膨胀，暗能量会慢慢地稀释——不过在一些模型中，它实际上会增强，加速宇宙的膨胀。在大多数修改引力的理论中，暗能量的密度也会变化。它甚至可以先上升后下降，或者反过来。
宇宙的命运完全取决于这一平衡。如果暗能量保持稳定，宇宙就会加速膨胀，把我们变成一个孤立小岛，跟宇宙的其他部分隔绝开来。如果暗能量会增强，最终可能就会把所有物质全部“撕碎”，甚至连空间结构都变得不再稳定。根据对超新星的观测，我们今天最佳的估计是，暗能量的密度相当稳定。有一种观点认为，暗能量正在缓慢增强，但不确定性太大，目前我们还不必担心这一增长。
从2013年9月起，一个名为“暗能量巡天”的国际项目将开始收集数据，旨在进一步了解暗能量。位于智利托洛洛山美洲天文台口径4米的维克托·布兰科望远镜，以及一个专门设计的红外照相机，将在广大的天区中寻找暗能量的若干迹象。该项目主管、美国芝加哥大学的乔舒亚·弗里曼（Joshua Frieman）说：“虽然不是世界上最大的望远镜，但它的视场非常大。”
第一步，这台望远镜将捕获更多的超新星。每一场恒星爆炸的视亮度（就是在我们看来它有多亮），都能告诉我们它们发生在多久之前。这些光向我们传播的过程中，波长会因空间的膨胀而被拉长，也就是红移。把这两样东西结合起来，我们就能测出宇宙如何随时间膨胀。
这项巡天还将绘制一幅复杂的天图，会标出几亿个星系的位置以及它们到我们的距离。在宇宙的婴儿时期曾经在宇宙中回荡的声波，给巨大的超星系团赋予了一个特征尺度。通过测量超星系团的视大小（就是在我们看来它有多大），我们可以从一个新的视角来回顾宇宙膨胀的历史。
通过多种不同的观测证据，科学家推断宇宙中存在某种未知的能量，在推动宇宙加速膨胀。但对于这种未知能量到底是什么，科学家仍然一无所知。图片来源：《新科学家》
放眼天空
这份天图还将揭示暗能量对较小尺度的影响。暗能量会阻碍星系聚集形成星系团。巡天项目组将直接对星系团进行计数，还会借助引力透镜效应追踪它们的成长。引力透镜是星系团弯曲更遥远的天体发出的光线时出现的一种现象。
这些不同的测量，应该能给我们提供一些线索，透露暗能量是否会随时间而变——如果确实会变的话。弗里曼说，他们的巡天可以把现有结果的误差范围减小到1/4。到2016年，巡天的初步分析结果公布时，他们就能开始甄别一些不同的理论模型了。
一个完整的暗能量猎手团队，将在几年之后组建完毕。由美国主导的大口径全天巡视望远镜（Large Synoptic Survey Telescope）将在2021年睁开它的巨眼。其他巨型望远镜，比如位于夏威夷的30米望远镜（Thirty Meter Telescope），以及同在智利的欧洲特大望远镜（European Extremely Large Telescope）和巨麦哲伦望远镜（Giant Magellan Telescope），都将在大约同一时间投入使用。在澳大利亚和南非兴建的巨型射电接收器——平方千米阵也会加入它们的行列。通过观测氢云的射电辐射，平方千米阵可以追踪宇宙的结构。到2020年，欧洲空间局和美国宇航局计划发射一颗名为“欧几里德”（Euclid）的暗能量探测卫星，能够观测宇宙更早时期的引力透镜和星系成团。美国的大视场红外巡天望远镜或许会紧随其后。
这场穿越空间的暗能量围猎将会惊心动魄，但猎物仍有可能会逃之夭夭。比方说，我们也许会发现，暗能量的密度随着时间的推移几乎保持恒定。这看起来似乎支持了宇宙学常数，但它并不能排除一部分“第五元素”的理论，因为那些理论中的“第五元素”恰好具有几乎恒定的密度。况且，就算我们发现暗能量密度确实在增长或者降低，我们可能也无法分辨，这种变化到底是由于“第五元素”，还是出自某种随时间变化的引力。
位于夏威夷的30米望远镜和其他巨型光学望远镜，将在未来10年内陆续建成并投入使用。它们和其他设备一起，将为天文学家抓捕暗能量提供有利的工具。图片来源：astronomy.com.cn
于是，一些物理学家提出，在地球上设置“陷阱”来诱捕暗能量。英国诺丁汉大学的克莱尔·伯雷奇（Clare Burrage）说：“如果你引入一种新的场或者粒子，来充当你的暗能量，那么它们也将成为载体，传递一种新的作用力。”类似“第五元素”的东西，会产生有别于引力、电磁力、弱核力和强核力的第5种基本作用力。“但是，我们在太阳系里没有看到第5种力，”伯雷奇说。
理论学家摆脱这一症结的通常做法是，添加一个屏蔽机制，削弱密度相对较高的环境中（比如太阳附近）第五种力的强度。一个被称为“GammeV”的项目已经在美国费米实验室就位，已经开始搜寻一种被屏蔽的特殊暗能量，也就是所谓的“变色龙”。
到目前为止，GammeV仍然一无所获，不过现在，伯雷奇打算搜寻更大范围内的暗能量，灵敏度也要更高。她和英国诺丁汉大学的同事埃德蒙·科普兰（Edmund Copeland）及英国伦敦帝国学院的埃德·海因兹（Ed Hinds）合作，想利用处于玻色－爱因斯坦凝聚态的低温原子团来暴露暗能量的踪迹。这种低温原子团会像一个整体那样，在量子波动中振荡。暗能量应该会略微降低这种振荡的频率。这个研究团队计划把一团凝聚物一分为二，在其中之一附近放置一个高密度物体。如果物体屏蔽了暗能量，两个“半团”凝聚物中的波就会脱离同步，再把它们重新放在一起时，两者就会发生干涉。
电效应
在美国西雅图的华盛顿大学，Eöt-Wash扭摆实验正在探测其他形式的宇宙斥力。有一种理论认为，尺度不到1毫米的空间额外维度可能为暗能量提供了容身之处。在这么小的尺度上，它或许还能够增大引力的强度。一种被称为“对称子”（symmetron）的被屏蔽的“第五元素”，会在类似的小尺度上产生一个额外的作用力——如此微妙的效应，应该可以在Eöt-Wash扭摆细微的扭动中显现出来。
与此同时，美国普林斯顿大学的迈克尔·罗马利斯（Michael Romalis）和美国达特茅斯学院的罗伯特·考德威尔（Robert Caldwell）在2013年提出，如果普通光子或电子能够感受到哪怕极其微弱的“第五元素”，那么地球上的磁场就应该会产生一个微小的静电电荷。这种有可能很容易探测，当然任何专门为此设计的设备都必须非常精密才行（详见arxiv.org/abs/1302.1579）。
卡罗尔指出，我们还有可能会在太空中看到另一种电磁效应。如果光子与暗能量相互作用，当它们在宇宙中穿行时，光子的偏振就会发生旋转。他说，如果普朗克团队在几年后宣布测量到宇宙微波背景辐射光子的偏振，“可以想象他们会宣布，他们已经探测到了‘第五元素’”。接下来，我们或许会坐立不安地再等上十几年，等那些望远镜看清楚暗能量到底偏向哪一边，然后我们才能够松一口气，确定我们周围的空间不会坍缩成一种新的不健康的状态。
很少有人认为，对暗能量的围捕很快就会结束。美国俄勒冈大学的斯蒂芬·许（Stephen Hsu）说：“暗能量是最大的谜团之一，我不指望自己能够活着看到它被攻克。”在困惑了15年之后，对于暗能量是什么，我们仍然没有任何线索。但光明的一面是，对于那些线索可能隐藏在哪里，我们已经有了一些线索。
编译自：《新科学家》，Dark energy is still the greatest cosmic mystery
相关的果壳网小组