心平气和说宇宙（完）

原创：牧夫天文

魂，墜入江水，赴海無歸 靈，遁入山林，長喚不回 霾，障我陵土，眾神垂淚 霧，锁我山河，千鳥止飛 

——深山，葬尸湖《千鸟止飞》

由于在此之前，小编曾写过好几篇介绍暗能量的文章，因此本文会从中摘录很多片段。如果觉得某些文字很熟悉，那么显然您是忠实的老读者了。

从上世纪80年代开始，随着越来越多的天文观测的展开，人们发现，当前的宇宙是处于加速膨胀状态的，而并非之前认为的减速膨胀。表明宇宙加速膨胀的观测依据主要包括：1、上世纪80年代，哈勃常数与恒星演化的原子核年代学出现了观测上的矛盾。这种方法和考古的时候，考古学家们通过放射性元素来鉴定年代的方法十分类似。这一观测数据和哈勃常数的观测出现了矛盾，因此被称作宇宙年龄危机。2、宇宙中通常的物质密度。宇宙中物质所占的总的密度的比例，可以通过星系的质光比、不同红移处的星系团数目、CMB角涨落等方法来测量。

此外重子声波震荡也是一种观测手段。它是一种被称为宇宙的录音机的神奇现象，利用它我们可以推测早期宇宙的情况，从而得知宇宙的大尺度结构。

3、最广为人知也是最有力的观测证据，就是Ia型超新星的观测数据。我们知道，如果我们有一些功率完全一样的灯，那么它们到我们的距离和我们观测到的亮度显然是成反关系的。这样的“标杆”被称作标准烛光。Ia

型超新星可以作为标准烛光的原因是，当吸积白矮星的质量达到钱德拉塞卡极限的时候，白矮星的爆燃会导致的超新星爆发。这意味着目前所有观测到的白矮星的质量都应该小于1.4倍太阳质量，而且所有的白矮星在超新星爆发时都具有相同的质量。这样，所有的白矮星的超新星爆发的时候，都具有相同的最大光度。因此，我们一旦从一个爆发事件确定了Ia
型超新星的光度，我们能用这个光度来确定所有的Ia 型超新星的距离。

话说回来，Ia型超新星观测上的变暗的规律告诉我们，宇宙是处在加速膨胀之中。但是一定要用加速膨胀来解释吗？

显然，我们可以猜测是否是超新星模型有问题，但是这方面的研究并没有实质性的进展。

那么有没有可能我们的宇宙就是不均匀的呢？这是直接对宇宙学原理的冲击了，而且这样做代价太大了，因为这要求我们处在宇宙中一个很特殊的地方——宇宙的中心，而现代宇宙学则是建立在宇宙中没有什么特殊的地方的基础上的。另外，观测证据也让猜想的可行性变得很低。

那么会不会是引力透镜呢？遗憾的是，研究表明，引力透镜对这一现象的影响很低。

此外，会不会是宇宙中存在着某种原因使得光被吸收了呢。但是，这一次猜想又败给了观测。由于我们的宇宙并不是一直处于加速膨胀的状态，在此之前物质主导的宇宙是处于减速膨胀的，那么在高红移处，超新星的观测规律理应回到减速膨胀的宇宙学的预言中。但是，如果以光被吸收了来解释Ia超新星变暗，那么这种变暗规律肯定是随着红移的增加而增加，也就是越远吸收的就越多。但是并没有观测到这种情况。

因此，在如何解释宇宙加速膨胀这一问题上，科学家们主要有两种手段，一是之前的系列介绍过的修改引力理论，另一个则是暗能量。

最广为人知的暗能量模型就是标准宇宙模型（ΛCDM）中的宇宙学常数Λ了。我们不妨回顾一下标准宇宙模型：

（1）宇宙起源于一次热大爆炸。

（2）宇宙中物质分布在大尺度上和所有时间内是均匀的和各向同性的。

（3）目前宇宙处于膨胀状态。

（4）宇宙时空用FLRW度规来描述。

（5）占主导地位的是暗能量和冷暗物质。

这里的Λ代表的是爱因斯坦场方程的宇宙学常数，目前经常以它借指暗能量。爱因斯坦起初希望建立一个稳定的宇宙，因此在向他的方程中添加这一项的时候，虽然不是为了提出暗能量（这相对于爱因斯坦的年代未免太早了），但巧合的是，也是为了为引力添加排斥效应。尽管在之后，爱因斯坦说宇宙学常数是他这辈子最大的失败，但多年之后，暗能量的火热研究再次告慰了爱因斯坦的在天之灵。所以说，什么叫天才，天才就是犯的“错误”都有极高的研究价值的科学家。

但是，宇宙学常数很难满足科学家们的好奇心。而且从理论上来说，这个看似简单的常数，反倒是最难解释的模型。因此，物理学家们提出了很多其他的暗能量模型。

我们总结一下暗能量的特点：压强为负，即产生排斥性的引力，在宇宙中均匀且各项同性地分布着，几乎只参与引力相互作用，不参与电磁相互作用。

目前被很多人看好的一个模型叫做精质（quitessence），它和量子场论的真空能有关。此外，物理学家考德威尔也提出了一个称作幻影模型的暗能量模型，在这个观点下，宇宙会终结于一场大撕裂。另外还有能够在早期宇宙统一暗物质暗能量的恰普利金气体等。当然，这些模型的变型、修正、参数化等更是层出不穷。我国著名物理学家李淼先生也曾提出过一个享誉物理界的暗能量模型——全息暗能量。这些模型介绍起来需要用到大量公式，因此我们不再详细介绍。

提到全息一词，大家可能会想到很多“黑科技”，例如把已经逝世的歌手“复活”，重新站在舞台上为大家唱歌的全息投影技术。当然，全息一词，除了指光学上的全息照相技术之外，和量子引力中的全息原理也有关系（此处我们应当致敬刚刚逝世一周年的霍金，他的霍金辐射理论被称作量子引力的罗塞塔之石）。

古希腊哲学家柏拉图曾经在《理想国》提出一个这样的猜想。设想有一些囚徒，从出生就被囚禁在一个山洞中，他们所能感知到的世界，只是石壁上面的二维投影。那么这些人就会误认为世界是二维的。而其中比较机智的囚徒，说不定还会建立一套理论来解释他们所感知到的世界。

那么，我们的宇宙也是一种全息图吗？人类真的是柏拉图的囚徒吗？

目前全息原理已经在物理学界有着非常广泛的应用，从物质到时空，从凝聚态物理到黑洞物理，无处不闪耀着全息的光芒。

最后我们再谈一谈时空的维度。高维的时空理论，可以分成两大类，一类是卡卢查-克莱因理论，另一类则是胚世界舞台。

卡卢查-克莱因理论，简称KK理论，到今天已经有近百年的历史。这个理论认为，时空除了我们日常感知到的三维空间和一维时间之外，还有额外的空间维度。而这些额外的维度是紧致空间，其尺度非常小，因此在日常生活中无法感知。

而在胚世界舞台的观点下，引力存在于所有的维度，而包括人类在内的所有的物质以及其他的相互作用则被限制在4维时空中，这个四维时空就是一个四维胚。在这种观点下，额外维的尺度可大可小。

上一期有读者问，为什么小编把膜称作胚。实际上膜是一种不太好的翻译，因为这样会有两个单词都被翻译为膜（brane，membrane），引起歧义。因此，物理学家李新洲先生认为，brane一词更好的翻译是胚。这个概念最早在1987年，由科学家们基于对称性、弦论等提出，所谓的胚，指的是D维空间中的p维客体，p=1对应的就是弦，p=2则称为膜。如果把胚也翻译成膜，这里岂不是会出现“膜是膜”的歧义？

至此，《心平气和说宇宙》系列就告一段落了，读者诸君我们有缘再见。

『天文时刻』 牧夫出品

微信号：astronomycn