精選答案宇宙是如何誕生并且演化到今天的？其未來又將走向何方？這個(gè)科學(xué)命題——或者說哲學(xué)命題，數(shù)千年來一直困擾著人類。
大約14年前，人們一度以為有了完美的答案：通過對(duì)于宇宙背景微波輻射的觀測(cè)，天文學(xué)家最終驗(yàn)證了1929年愛德文哈勃(Edwin Hubble)的猜想，即宇宙誕生于大約137億年前的大爆炸(Big Bang)。之后，隨著宇宙的演化，銀河系、太陽系、地球，乃至我們?nèi)祟愖陨?，都陸續(xù)登場。
2006年10月，正是憑借這一重要成就，美國科學(xué)家喬治斯穆特(George F Smoot)、約翰馬瑟(John C Mather)分享了該年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
但我們對(duì)宇宙的了解，顯然也還剛剛開始。就在此一個(gè)月后，美國航空航天局(NASA)公布的最新研究結(jié)果表明：至少在90億年前，一種被稱為“暗能量”(dark energy)的神秘力量已經(jīng)存在。
也就是說，在整個(gè)宇宙誕生后不到50億年時(shí)，就開始受到暗能量影響。而此前，科學(xué)家普遍認(rèn)為，在宇宙的早期，或許這種力量并不存在，因?yàn)槟莻€(gè)時(shí)候主宰一切的還是我們熟悉的引力。
盡管這一結(jié)果仍不能確定地告訴我們宇宙的未來是怎樣的，但顯然，它為我們徹底理解宇宙的運(yùn)行規(guī)律帶來了新的曙光。相關(guān)的論文也將發(fā)表在2007年2月美國《天體物理學(xué)報(bào)》(The Astrophysical Journal)上。
這一研究小組的負(fù)責(zé)人、美國約翰霍普金斯大學(xué)(John Hopkins)教授阿德姆瑞斯(Adam Riess)在接受《財(cái)經(jīng)》記者采訪時(shí)表示：“我們距離真正了解暗能量仍然很遠(yuǎn)。但很顯然，這是非常重要的一步，因?yàn)樗o出了更多的‘線索’(clue)?！?
宇宙為什么加速膨脹？
暗能量的發(fā)現(xiàn)過程極富戲劇性。
按照宇宙大爆炸理論，在大爆炸發(fā)生之后，隨著時(shí)間的推移，宇宙的膨脹速度將因?yàn)槲镔|(zhì)之間的引力作用而逐漸減慢，就像緩慢踩了剎車的汽車一樣。也就是說，距離地球相對(duì)遙遠(yuǎn)的星系，其膨脹速度應(yīng)該比那些近的星系慢一些。
但1998年，美國加州大學(xué)伯克利分校(UC Berkeley)物理學(xué)教授、勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室(LBNL)高級(jí)科學(xué)家索爾皮爾姆特(Saul Perlmutter)，以及澳大利亞國立大學(xué)布賴恩施密特(Brian Schmidt)分別領(lǐng)導(dǎo)的兩個(gè)小組，通過觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，那些遙遠(yuǎn)的星系正在以越來越快的速度遠(yuǎn)離我們。
換句話說，宇宙是在加速膨脹，仿佛一輛不斷踩油門的汽車，而不是像此前科學(xué)家所預(yù)測(cè)的那樣處于減速膨脹狀態(tài)。
這樣一個(gè)完全出乎意料的觀測(cè)結(jié)果，從根本上動(dòng)搖了對(duì)宇宙的傳統(tǒng)理解。那么到底是什么樣的力量，在促使所有的星系或者其他物質(zhì)加速遠(yuǎn)離呢？
科學(xué)家們將這種與引力相反的斥力來源，稱為“暗能量”。但“暗能量”到底意味著什么？至今我們能夠給出的，只是一個(gè)十分粗略的宇宙結(jié)構(gòu)“金字塔圖景”：
我們所熟悉的世界，即由普通的原子構(gòu)成的一草一木、山河星月，僅占整個(gè)宇宙的4%，相當(dāng)于金字塔頂?shù)哪且粔K。
下面的22%，則為暗物質(zhì)。這種物質(zhì)由仍然未知的粒子構(gòu)成，它們不參與電磁作用，無法用肉眼看到。但其和普通物質(zhì)一樣，參與引力作用，因此仍可能探測(cè)到。
作為塔基的74%，則由最為神秘的暗能量構(gòu)成。它無處不在，無時(shí)不在，由于我們對(duì)其性質(zhì)知之甚少，所以科學(xué)家還不清楚如何在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證其存在。惟一的手段，仍然是通過天文觀測(cè)這種間接手段來了解其奧秘。
對(duì)Ia類型超新星(supernova)的爆發(fā)進(jìn)行觀測(cè)，則是目前最主要觀測(cè)手段。這種超新星是由雙星系統(tǒng)中的白矮星(white dwarf)爆炸形成的，亮度幾乎恒定。這樣，通過測(cè)量其亮度，就可以知道其和地球之間的距離，進(jìn)而了解其速度。
借助哈勃這樣靈敏的天文儀器的幫助，我們至少可以觀測(cè)到90億光年之外，即了解宇宙在90億年前的信息。
霍普金斯大學(xué)教授阿德姆瑞斯給我們展示的最新“暗能量”場景如下：
在大爆炸后的初期，宇宙經(jīng)歷了一個(gè)急速膨脹階段。此后，由于暗物質(zhì)以及物質(zhì)之間的距離非常接近，在引力作用下，宇宙的膨脹速度開始減速。
然而，至少在90億年前，宇宙中另外一種力量——表現(xiàn)為排斥力量的暗能量已經(jīng)出現(xiàn)，并且開始逐步抵消引力作用。
隨著宇宙的膨脹，不斷增長的暗能量終于在大約50億至60億年前超越引力。此后，宇宙從減速膨脹，轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀倥蛎洜顟B(tài)，并且一直持續(xù)至今。
愛因斯坦的遺產(chǎn)
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)教授李淼曾經(jīng)半開玩笑地表示：“有多少暗能量專家，就有多少暗能量模型?！币苍S這種說法不無夸張之處，但暗能量在理論方面的混沌狀況，從中也可見一斑。
其中，最具戲劇性的理論，則是復(fù)活愛因斯坦當(dāng)年提出的“宇宙常數(shù)”(cosmological constant)。1917年，被認(rèn)為是整個(gè)20世紀(jì)最偉大的科學(xué)家阿爾伯特愛因斯坦(Albert Einstein)，為了建立一個(gè)穩(wěn)態(tài)宇宙模型，最早提出了這個(gè)概念。不過，后來就連他本人也承認(rèn)，“宇宙常數(shù)”只是一個(gè)錯(cuò)誤的概念。
但暗能量的存在，則為宇宙常數(shù)提供了新的可能性。如果暗能量就是這個(gè)宇宙常數(shù)的話，那么它的力量強(qiáng)弱將只和宇宙的大小有關(guān)。隨著宇宙的膨脹，其體積逐漸增大，因而暗能量也將逐漸增大。最終，它會(huì)達(dá)到一個(gè)臨界點(diǎn)，使得宇宙從減速狀態(tài)變成加速狀態(tài)，并且一直加速下去。
中國科學(xué)院高能物理所研究員張新民在接受《財(cái)經(jīng)》記者采訪時(shí)指出，迄今為止的觀測(cè)結(jié)果，包括瑞斯最新的結(jié)果在內(nèi)，與愛因斯坦的宇宙常數(shù)理論“都很符合”。
但是，宇宙常數(shù)距離成為一種確定性的暗能量理論還差得很遠(yuǎn)。一些科學(xué)家半開玩笑地說，按照這種模型，宇宙將一成不變地加速膨脹下去，未免太“枯燥”(boring)了一些。
當(dāng)然，最為致命的是，按照量子場論計(jì)算出來的宇宙常數(shù)，比天文觀測(cè)獲得的上限至少也要高出10的120次方倍。
一個(gè)最為詭異但不乏科學(xué)依據(jù)的解釋，是“多宇宙論”。觀測(cè)和理論或許都沒有錯(cuò)，事實(shí)上，在我們生存的宇宙之外，還存在多到無法計(jì)數(shù)的其他的宇宙?？茖W(xué)家們可以想像到的宇宙數(shù)量不是以萬或者億來計(jì)算的，很可能多到10的1000次方個(gè)。
每個(gè)宇宙都有不同的宇宙常數(shù)，而我們恰恰生存在一個(gè)宇宙常數(shù)很小的宇宙中。仿佛冥冥之中有一個(gè)“上帝之手”，把一個(gè)適合智慧生命生存的宇宙呈現(xiàn)在我們面前。
但對(duì)于這種寄希望多宇宙存在的“人擇原理”(anthropic principle)，在天文學(xué)家和物理學(xué)家中間都存在很大的爭議。中國科學(xué)院高能物理所研究員張新民對(duì)《財(cái)經(jīng)》記者說，很多人認(rèn)為這僅僅是一種猜想而已，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上“原理”。
更為尖銳的批評(píng)，則認(rèn)為這種解釋與其說是一種科學(xué)理論，倒不如說更像一種宗教信仰。
為避免這種沖突，科學(xué)家們提出個(gè)各種暗能量理論，來代替宇宙常數(shù)模型。其中比較有代表性的包括精質(zhì)(quintessence)模型、幽靈(phantom)模型等，張新民和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)教授李淼也分別提出了精靈(quintom)和全息(holographic)模型。
宇宙的未來
如果這些替代的暗能量理論能夠成立，它們所指向的將是截然不同的宇宙未來：
根據(jù)精質(zhì)等動(dòng)力學(xué)標(biāo)量場(scalar field)模型，宇宙的未來將復(fù)雜得多；也許將繼續(xù)加速膨脹下去，也許會(huì)減緩膨脹的速度，甚至走向收縮，導(dǎo)致宇宙最終以與大爆炸相反的“大坍縮”(big crunch)收?qǐng)觥?
而根據(jù)幽靈模型，暗能量將不斷增大，導(dǎo)致宇宙以越來越快的加速度膨脹。最終，宇宙將走向“大撕裂”(big rip)。
精靈模型則給出了一個(gè)“振蕩的未來”。張新民對(duì)《財(cái)經(jīng)》表示，根據(jù)他提出的這一理論，整個(gè)宇宙將在加速膨脹和減速膨脹之間反復(fù)演繹，“大坍縮”和“大撕裂”這兩種極端的情況都不會(huì)出現(xiàn)。
最大的困難，在于迄今為止，我們能夠研究暗能量的手段仍然十分有限。目前，最主流的仍然是借助超新星的觀測(cè)。但有些人擔(dān)心，特別是在宇宙早期，可能超新星的亮度也不是恒定的，它也有自己的演化過程。
即使這種擔(dān)心可以排除，鑒于這些超新星距離地球非常非常遙遠(yuǎn)，觀測(cè)它們的難度，在瑞斯看來就像在兩個(gè)月球的距離之外觀測(cè)一個(gè)60瓦的燈泡。即使哈勃望遠(yuǎn)鏡具有非常高的敏感度，也存在難以消除的系統(tǒng)誤差。
通過對(duì)大尺度宇宙結(jié)構(gòu)(比如星系團(tuán)等)的研究，或許能為暗能量提供新的線索。一旦暗能量存在的話，星系團(tuán)的形成過程可能要更慢一些，因?yàn)橐π枰瓤朔@種斥力。
目前，一個(gè)空間探測(cè)計(jì)劃斯隆數(shù)字巡天(SDSS)已經(jīng)完成了第一階段為期五年的運(yùn)行，一旦全部完成之后，這一足以覆蓋四分之一的天空的精細(xì)光學(xué)成像設(shè)備，無疑將披露更多的細(xì)節(jié)。
據(jù)悉，目前中國科學(xué)家也正在試圖利用北京附近新上馬的LAMOST(大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜望遠(yuǎn)鏡)來觀測(cè)超新星，從而探索在中國首次進(jìn)行暗能量實(shí)驗(yàn)研究的可能性。而利用伽馬暴(超大質(zhì)量星體爆發(fā)而形成的宇宙高能輻射)，也許將為進(jìn)一步研究更早期的暗能量提供間接手段。
北京師范大學(xué)物理學(xué)教授朱宗宏在接受《財(cái)經(jīng)》記者采訪時(shí)指出，目前對(duì)于伽馬暴天文學(xué)的探索還處在初級(jí)階段，有點(diǎn)類似于1998年暗能量剛被發(fā)現(xiàn)時(shí)的超新星天文學(xué)，但其某些性質(zhì)，從長期來看仍然有可能用來研究暗能量。
那么，是否有可能利用實(shí)驗(yàn)室來直接研究暗能量呢？一些人已經(jīng)宣稱，可以利用納米技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。瑞斯在接受《財(cái)經(jīng)》采訪時(shí)表示，一些科學(xué)家也希望利用短距離(short-range)的引力實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)暗能量的線索。
美國加州理工學(xué)院(CIT)的物理學(xué)家西恩卡羅爾(Sean Carroll)也對(duì)《財(cái)經(jīng)》記者強(qiáng)調(diào)，要找到一個(gè)更具確定性的模型，不僅需要天文學(xué)上的數(shù)據(jù)，可能更需要來自粒子物理學(xué)的證據(jù)。尤其是2007年即將在歐洲投入運(yùn)行的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)，或許“我們可以期待”。
不過，由于對(duì)暗能量的性質(zhì)、包括與其他物質(zhì)的反應(yīng)機(jī)理還不清楚，很多科學(xué)家認(rèn)為，短期之內(nèi)還無法對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的工作寄予太大希望；更為現(xiàn)實(shí)的渠道，或許仍來自天文觀測(cè)。
如果不出意外，普朗克(PLANCK)探測(cè)器將于2007年一季度正式升空，它將對(duì)天空進(jìn)行更加精密的探測(cè)。在接受《財(cái)經(jīng)》記者采訪時(shí)，皮爾姆特也表示，由它所在的實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的超新星加速探測(cè)器(SNAP)，按照計(jì)劃將于2013年或者2014年升空。
“在未來五到十年中，我們對(duì)于暗能量的性質(zhì)或許將有更加清晰的了解?！庇Z丁漢大學(xué)物理與天文學(xué)院教授克里斯托弗康瑟利斯(Christopher Conselice)對(duì)《財(cái)經(jīng)》記者說。
幾乎沒有人否認(rèn)，暗能量對(duì)于整個(gè)宇宙學(xué)乃至物理學(xué)而言，都不啻是一場革命。1979年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主斯蒂芬溫伯格(Steven Weinberg)曾明確表示，“如果不解決暗能量這個(gè)‘路障’，我們就無法全面理解基礎(chǔ)物理學(xué)?！敝A裔物理學(xué)家、1957年諾貝爾物理