萬維鋼 日課217丨暗能量的惆悵
今天咱們繼續(xù)說尼爾·泰森的《給忙碌者的天體物理學(xué)》。上次我們講了暗物質(zhì)典格，今天我們講天體物理學(xué)的另一個(gè)謎團(tuán)岛宦，暗能量。
你注意到?jīng)]有耍缴，即使到了今天，宇宙大爆炸理論早已被物理學(xué)家廣泛接受了挽霉，可是有些民間哲學(xué)家一說起宇宙來還是“空間上無邊無際防嗡、時(shí)間上無始無終”這兩句話。我們傳統(tǒng)想象中的宇宙是無限大的侠坎，曾經(jīng)存在過無窮長的時(shí)間蚁趁，并且將永久地存在下去。
然而現(xiàn)在所有證據(jù)都表明实胸，宇宙絕對(duì)不是這個(gè)永恒不變的樣子他嫡。宇宙有個(gè)開始，而且還會(huì)有個(gè)終結(jié)庐完。
這有點(diǎn)違反直覺钢属。一個(gè)人、一個(gè)房子门躯、一個(gè)國家有開始有結(jié)束淆党，我們都能理解 —— 但是宇宙是一切事物的總和啊讶凉！不管人在不在染乌，組成人的原子總是在的；不過國家有沒有懂讯，國土總是有的荷憋。那宇宙的開始和結(jié)束，又從何說起呢褐望？
如果你覺得這不好接受勒庄，你不是一個(gè)人。
當(dāng)年譬挚，連愛因斯坦都認(rèn)為宇宙應(yīng)該是靜態(tài)锅铅。
1.“一生最大錯(cuò)誤”
牛頓的萬有引力定律是個(gè)非常漂亮、也相當(dāng)精確的理論减宣，但是它有一個(gè)本質(zhì)的缺陷盐须。牛頓引力是一種“超距作用”。這里有個(gè)質(zhì)量很大的物體漆腌，你立即就感受到它的引力 —— 可是這個(gè)力是怎么傳播的呢贼邓？連光速都有限阶冈，引力信息難道能瞬間到達(dá)嗎？牛頓自己也意識(shí)到了這個(gè)問題塑径，但是他沒辦法女坑。
直到1916年，愛因斯坦提出廣義相對(duì)論统舀。愛因斯坦說匆骗，你可以把引力當(dāng)成是空間的彎曲。用一句話概括他的思想誉简，就是“物質(zhì)告訴空間怎么彎曲碉就，空間告訴物質(zhì)怎么運(yùn)動(dòng)∶拼”大質(zhì)量物體改變它周圍空間的彎曲程度瓮钥，其他物體根據(jù)感受到的彎曲空間運(yùn)動(dòng)，引力不再是超距作用了烹吵，它通過空間傳遞碉熄。
因?yàn)橐κ且粋€(gè)可傳遞的東西，廣義相對(duì)論馬上就預(yù)言了“引力波”的存在肋拔。然后等到2016年锈津，物理學(xué)家果然觀測到了引力波。
咱們想想這件事吧只损。十三億年以前一姿，在距離地球十三億光年遠(yuǎn)的地方，有兩個(gè)黑洞發(fā)生了碰撞跃惫。這次碰撞帶來的引力波叮叹，向全宇宙?zhèn)鞑ァＥ鲎舶l(fā)生的時(shí)候爆存，地球上只有一些最原始的單細(xì)胞生物蛉顽。引力波慢慢傳遞過來……在此期間，地球上演化出了智人先较、智人有了文化携冤、愛因斯坦出生，寫下了廣義相對(duì)論的引力場方程……然后一直到2016年闲勺，也就是碰撞發(fā)生十三億年以后曾棕，我們截獲了這個(gè)引力波！
廣義相對(duì)論就這么厲害菜循。所以我冒著嚇跑一半讀者的風(fēng)險(xiǎn)翘地，想讓你看一眼廣義相對(duì)論的引力場方程。你不需要理解它，但你可以欣賞這個(gè)方程的簡潔優(yōu)美衙耕。
方程中那個(gè)紅色希臘字母 Λ 昧穿，是一個(gè)常數(shù)，它所在的那一項(xiàng)本來是沒有的橙喘。
最初时鸵，愛因斯坦用沒有 Λ 的場方程對(duì)整個(gè)宇宙求解，發(fā)現(xiàn)這樣得出的宇宙會(huì)膨脹厅瞎。他覺得這肯定不對(duì)饰潜，宇宙應(yīng)該是靜態(tài)的，這才加入了 Λ 這一項(xiàng)磁奖。在數(shù)學(xué)上囊拜，有沒有這一項(xiàng)，引力的性質(zhì)都一樣比搭。Λ 僅僅是為了讓宇宙不膨脹而存在，所以被稱為“宇宙常數(shù)”南誊。
但這個(gè)人為的做法有兩個(gè)缺陷身诺。首先，Λ 的物理意義是什么呢抄囚？它代表一種什么力量霉赡、又是怎么在宇宙中實(shí)現(xiàn)的呢？沒人知道幔托。它僅僅是為了得到一個(gè)靜態(tài)的宇宙而存在穴亏。
更讓物理學(xué)家不舒服的是，后來一位蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家作了計(jì)算重挑，說你加入一個(gè) Λ 的確能得到一個(gè)靜態(tài)宇宙解嗓化，但是這個(gè)靜態(tài)宇宙是個(gè)不穩(wěn)定的平衡。就好像把一個(gè)鉛筆用筆尖立在桌子上一樣谬哀，只要有一點(diǎn)擾動(dòng)它馬上就會(huì)倒下刺覆。那這樣的靜態(tài)宇宙又有多大意義，宇宙到底應(yīng)該是什么樣的呢史煎？
2.哈勃改變了世界觀
到了1929年谦屑，美國天文學(xué)家哈勃迎來一個(gè)改變世界觀的時(shí)刻。當(dāng)時(shí)哈勃對(duì)銀河系以外那些廣闊空間中的星系篇梭，做了一個(gè)系統(tǒng)性的觀測氢橙。他發(fā)現(xiàn)，星系發(fā)出的光的光譜恬偷，有一個(gè)往紅端的移動(dòng)悍手。
這就是所謂“紅移”，也就是頻率都變小了一些。這種現(xiàn)象我們?cè)谏钪幸材苡龅轿焦丁２▌?dòng)都是這樣的官脓，當(dāng)這個(gè)物體向你跑過來的時(shí)候，它的頻率會(huì)增加涝焙；當(dāng)這個(gè)物體離你而去的時(shí)候卑笨，他的頻率會(huì)減少。比如一個(gè)火車鳴笛仑撞，如果是火車面向你開過來赤兴，你會(huì)覺得鳴笛聲音更尖銳一點(diǎn)；如果是火車是離你而去隧哮，你會(huì)覺得鳴笛聲音更低沉桶良。
那星系光譜的紅移就只能說明一個(gè)問題：所有這些遠(yuǎn)方的星系，都在離我們而去沮翔。而且通過精確測量各個(gè)星系光譜紅移的程度陨帆，哈勃還發(fā)現(xiàn)，這些星系離我們而去的速度采蚀，和它們到我們的距離成正比疲牵。
這就好比說你站在一個(gè)大廣場上，你發(fā)現(xiàn)周圍所有人都在離你而去榆鼠，而且距離你越遠(yuǎn)的人纲爸，跑得越快！
哈勃發(fā)現(xiàn)的妆够，就是宇宙正在膨脹识啦。
你可能馬上就有一個(gè)問題：不同方向的星系都離我們而去，那地球豈不是成了宇宙的中心嗎神妹？不是颓哮。你可以想象空間是彎曲的。拿二維空間類比灾螃，這就好像我們都站在一個(gè)氣球的表面上题翻，氣球不斷膨脹的過程中，對(duì)氣球上任何一點(diǎn)來說腰鬼，其他的點(diǎn)都在離他而去嵌赠，而且距離越遠(yuǎn)跑得越快。
既然宇宙正在膨脹熄赡，那我們馬上就知道姜挺，以前的宇宙肯定沒有這么大。那么逆推回去 —— 宇宙就一定有一個(gè)開始彼硫。這就是大爆炸理論的起源炊豪。
咱們可以想象愛因斯坦得知了哈勃的觀測之后是個(gè)什么心情凌箕！他本來已經(jīng)算出來宇宙應(yīng)該膨脹了！是為了讓宇宙不膨脹词渤，才自作聰明地加了宇宙常數(shù)那一項(xiàng)牵舱，結(jié)果錯(cuò)過了對(duì)宇宙膨脹的理論預(yù)測。
愛因斯坦發(fā)了一條朋友圈缺虐，說這是我一生最大的錯(cuò)誤芜壁。
好了，現(xiàn)在既然知道宇宙是膨脹的高氮，愛因斯坦就放心地把宇宙常數(shù) Λ 那一項(xiàng)去掉慧妄，引力場方程變得更簡單了 ——?
方程預(yù)言了宇宙膨脹，宇宙也的確在膨脹剪芍，一切都和諧了塞淹。
誰能想到，愛因斯坦死后43年罪裹，天文學(xué)家的世界觀又改變了一次饱普。
3.空間的膨脹
我先來解釋一下，“宇宙膨脹”到底是什么意思状共。宇宙大爆炸和尋常一顆炸彈的爆炸可不一樣锣披，大爆炸帶來的膨脹臊诊，是空間本身的膨脹。廣義相對(duì)論認(rèn)為“空間”并不是一片虛空菩收，而是一個(gè)可以傳播引力雇卷、可以變形可以彎曲的實(shí)實(shí)在在的東西鬓椭。
在宇宙起源之前，時(shí)空根本不存在关划。大爆炸以后空間膨脹了小染，日月星辰才有了在其中玩耍的場所。我們可以把空間想象成一張實(shí)實(shí)在在的網(wǎng) —— 所有東西都是放在這張網(wǎng)上贮折，而網(wǎng)本身可以變大裤翩。
我們知道，物理定律要求是任何東西的移動(dòng)速度不能超過光速 —— 但是請(qǐng)注意调榄，這說的是物體在空間中的移動(dòng)踊赠，可不是空間本身的移動(dòng)。
事實(shí)上每庆，宇宙膨脹的速度可以超過光速筐带。在大爆炸剛開始的時(shí)候，早期的宇宙的膨脹速度到處都超過光速缤灵。而在現(xiàn)在伦籍，那些距離我們特別特別遙遠(yuǎn)的星系蓝晒，他們的離我們而去速度也是超光速的。
這就意味著帖鸦，存在很多星系芝薇，因?yàn)樗鼈兙嚯x我們太遠(yuǎn)，膨脹的速度超過光速作儿，我們不可能看到它們洛二。它們那里不管發(fā)生什么，我們都無法知道立倍。女朋友坐飛機(jī)走了灭红，飛機(jī)上總還能打個(gè)衛(wèi)星電話 —— 可是如果女朋友跑的比光速還快，你就再也沒辦法跟她取得聯(lián)絡(luò)了口注。
難道說变擒，我們將孤獨(dú)地跟可見的這些星系生活在這里。
但是也不一定寝志。別忘了在引力作用下娇斑，星系之間還有個(gè)互相吸引的作用，這也是一個(gè)把空間往回拉的力量材部。那么在引力作用下毫缆，我們?cè)O(shè)想，宇宙膨脹的速度應(yīng)該是越來越慢的 —— 就好像你往天上扔一個(gè)球乐导，球上升的速度肯定是越來越慢苦丁，而且可能還會(huì)回來。
對(duì)吧物臂？
4.黑暗的能量
愛因斯坦死后43年旺拉，也就是1998年的時(shí)候，有兩組天文學(xué)家棵磷，想測量一下現(xiàn)在宇宙的膨脹速度已經(jīng)減慢到了什么程度蛾狗。
他們有一些特別好的觀測目標(biāo)，叫 “Ia 型超新星”仪媒。這種超新星也是宇宙送給天文學(xué)家的禮物沉桌。最初這是一種雙星系統(tǒng)，其中一顆星是白矮星算吩。白矮星不斷吸收臨近這顆星的質(zhì)量留凭，等到自己的質(zhì)量增長到相當(dāng)于我們的太陽質(zhì)量的1.44倍的時(shí)候，它就會(huì)突然爆發(fā)赌莺，變成超新星冰抢。
這種超新星的引爆質(zhì)量永遠(yuǎn)一樣，它的亮度也永遠(yuǎn)一樣艘狭。這樣天文學(xué)家一看 Ia 型超新星到達(dá)地球的亮度挎扰，就能精確知道它們距離地球有多遠(yuǎn)翠订。
與此同時(shí)，根據(jù)光譜的分析遵倦，看看紅移情況尽超，天文學(xué)家還可以用另外一個(gè)方法計(jì)算超新星的距離，這個(gè)計(jì)算中就包括了理論模型中宇宙膨脹的歷史梧躺。對(duì)比一下兩個(gè)距離的差距似谁，就知道現(xiàn)在膨脹速度減慢了多少。
結(jié)果天文學(xué)家驚掉了下巴掠哥。
用超新星亮度算的實(shí)際距離巩踏，比用宇宙膨脹歷史算的距離長了15%。這就意味著续搀，宇宙膨脹不但沒有減速塞琼，而且還加速了！
這個(gè)發(fā)現(xiàn)實(shí)在毀三觀禁舷，但是歷經(jīng)檢驗(yàn)確認(rèn)無疑彪杉，最后三個(gè)科學(xué)家因此獲得2011年諾貝爾獎(jiǎng)。
物理學(xué)家就只好再把宇宙常數(shù)放回到愛因斯坦場方程中去牵咙，只不過這回 Λ 的數(shù)值得改派近，變成讓宇宙加速膨脹。
那問題就又回來了洁桌， Λ 到底有什么物理意義呢渴丸？物理學(xué)家現(xiàn)在解釋不了，只好沿襲“暗物質(zhì)”的命名傳統(tǒng)另凌，稱之為“暗能量”曙强。
現(xiàn)在更進(jìn)一步的估算，我們這個(gè)宇宙現(xiàn)在的全部能量之中途茫，尋常的物質(zhì)只占大約4%，暗物質(zhì)占26%溪食，暗能量占70%囊卜。
暗能量提供了一種真空中的斥力，但是它到底是什么樣的底層物理機(jī)制错沃，我們完全不知道栅组。有人猜測這是不是量子力學(xué)的真空能，結(jié)果一計(jì)算發(fā)現(xiàn)結(jié)果差了10^120倍枢析，太過荒誕了玉掸。如同尋找暗物質(zhì)一樣，物理學(xué)家正在想方設(shè)法尋找暗能量醒叁。
| 由此得到
過去三十年中司浪，物理學(xué)最驚人的一個(gè)發(fā)現(xiàn)就是宇宙正在加速膨脹泊业。把宇宙常數(shù)放回到愛因斯坦場方程中，可以讓宇宙加速膨脹啊易，但是這個(gè)宇宙常數(shù)到底有什么物理意義吁伺，物理學(xué)家一無所知。暗能量和暗物質(zhì)到底是什么租谈，是兩個(gè)謎篮奄。
| 禪定時(shí)刻
暗能量是真空中的能量。宇宙越膨脹割去，真空越大窟却，暗能量就越大。現(xiàn)在物理學(xué)家知道呻逆，在50億年以前夸赫，暗能量的比例達(dá)到一定數(shù)值，宇宙就已經(jīng)開始加速膨脹了页慷。
而隨著空間越來越大憔足，暗能量越來越多，宇宙膨脹的加速度也會(huì)越來越大酒繁。這就意味著遠(yuǎn)方的星系是以越來越快的速度離我們而去滓彰，不可能再回頭。
物理學(xué)家計(jì)算州袒，再過一萬億年揭绑，除了銀河系以外，我們的天空中將會(huì)再也看不到其他的星星郎哭。
如果我們這個(gè)文明不能把現(xiàn)在關(guān)于宇宙的知識(shí)流傳到那個(gè)時(shí)候他匪，如果那時(shí)候還有智慧生命的話，那時(shí)的天文學(xué)家將會(huì)認(rèn)為宇宙里就只有一個(gè)銀河系夸研。他們的宇宙觀會(huì)跟我們很不一樣邦蜜，他們將無從知道宇宙里其實(shí)有那么多星系！
因?yàn)槿鄙訇P(guān)鍵信息亥至，他們永遠(yuǎn)都想不到宇宙曾經(jīng)有過這樣的歷史悼沈。
但是還有更可怕的。泰森說他做了一個(gè)噩夢(mèng)姐扮。如果說一萬億年以后的人缺少關(guān)鍵信息絮供，那么我們這一代人，是不是也缺少了某些關(guān)鍵信息茶敏，以至于有關(guān)這個(gè)宇宙壤靶，有些東西是我們永遠(yuǎn)都不能理解的呢？
要知道惊搏，這個(gè)宇宙根本沒有義務(wù)讓你理解贮乳。
點(diǎn)擊右下角忧换，分享給朋友，或者像愛因斯坦那樣發(fā)個(gè)朋友圈……也許一萬億年以后的人就能看到更多星星了呢塘揣。
