1 宇宙之谜：暗物质与暗能量两大宇宙“黑帮”合流
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2004年07月13日 17:36 (此文版权属《国际先驱导报》，任何媒体若需转载，务必经该报许可。)
暗物质和暗能量是当代宇宙学未解的两大谜，也决定着宇宙的最终命运，最新的理论表明：它们可能是一种东西。
在过去几年间，科学家发现宇宙似乎充满着不是一种而是两种看不见的成分——暗物质和暗能量，它们占了宇宙整个物质构成的绝大部分，根据最新的估计，在宇宙构成中，暗能量占了75%，暗物质占23%，常规物质和能量只占2%。
两大谜团合二为一
1970年代，天文物理学家为解释星系的运动提出，一类看不见的粒子存在于星系周围，这类粒子随后被称为“暗物质”。根据天文观察资料，科学家们估计宇宙中暗物质有常规物质的10倍之多。对暗物质的一种解释是，它们是由一类新的粒子“弱相互作用大质量粒子”(简称WIMP)组成的，这种粒子不能发光，并和常规物质几乎不发生相互作用。迄今科学家们已做了大量实验来搜寻这类粒子存在的证据。
1998年以来，为解释宇宙加速膨胀运动，一些科学家又提出“暗能量”概念，认为暗能量作为一种巨大的斥力在推动宇宙加速膨胀。
揭示宇宙中这两种“黑势力”之谜成为了当前宇宙学的最大一个热点。日前，美国范德比尔特大学的理论物理学家罗伯特·谢勒提出一个新模型，把这两个谜缩减为一个，即认为暗物质和暗能量只是单一一种未知力量的两个方面。6月30日一期《物理学评论通信》杂志上刊载了描述他的这一模型的一篇文章。
他说：“思考这个问题的一个方式是：宇宙充塞着一种看不见的流体，这种流体会对常规物质施加压力，并改变宇宙扩张的方式。”谢勒认为，他的这一模型极其简单，并可避免先前试图把暗物质和暗能量统一起来的一些理论模型中的困难。
两个不同的演化阶段
谢勒在其理论模型中，把暗物质和暗能量统归为一种称为“标量场”的奇特能量形式。这种能量场有着严格的定义，而且性质复杂。在此，“场”是指一种具有能量和压力、遍及整个空间物理量。宇宙学家最先是用标量场来解释宇宙大爆炸之后的暴涨过程。根据暴涨理论，宇宙在大爆炸后即经历了一个持续时间不到一秒但暴涨了几万万亿倍的急剧膨胀过程。
谢勒在其模型中引入了一个第二代标量场，称为“K-本质”。“K-本质”这一概念是由普林斯顿大学的理论物理学家保罗·斯泰恩哈德等人为解释暗能量而提出来的，但谢勒是第一个指出一种简单的“K-本质”标量场也可以用来解释暗物质的人。 2
科学家们之所以提出“暗物质”和“暗能量”两个不同概念，原因是它们的表现不同。暗物质好像有质量并会形成巨大的团块，宇宙学家事实上计算出这些暗物质团块的引力作用在使常规物质形成星系的过程中起了关键作用。而暗能量相反地似乎是没有质量的，并均匀分布在整个宇宙空间，其作用与引力相反，是一种斥力，把宇宙推散开来。
“K-本质”标量场能随时间而改变其行为。谢勒在研究一种非常简单的“K-本质”标量场——其中潜在的能量是固定的——时，发现这种标量场在其演化的某一个阶段时会发生团聚，导致看不见的暗物质粒子的效果，而随后在另一个阶段则会均匀分布在整个空间，具有暗能量一样的性质。 谢勒说：“这个模型在一段时间很自然地演化成一种像是暗物质的状态，然后又进到像是暗能量的状态。当我认识到这一点时，我想，‘这看来很有启发意义，值得好好研究一下。’”于是，谢勒更详尽地检查了这个模型，发现它不会产生先前那些试图把暗物质和暗能量统一起来考虑的理论模型的困难。
我们处在一个特殊时期吗？
最早描述暗能量的理论模型是修改广义相对论，引入“宇宙常数”这个量。“宇宙常数”是爱因斯坦建立静态宇宙模型时提出的一个概念，为的是和引力作用平衡，防止这样的宇宙模型在引力作用下收缩成一个点。但是，在天文学家观察到宇宙在膨胀后，爱因斯坦放弃了这个概念，因为他觉得这个概念已经不必要了。现在一些解释暗能量的理论模型重新引入“宇宙常数”概念，可以在很大程度上说明暗能量所导致的效应，但是这并不能解释暗物质。
一种试图把暗物质和暗能量统一起来的努力是恰普雷金气体模型，这种理论模型以一位俄罗斯科学家上世纪30年代的工作为基础，能够先形成类似暗物质的状态随后形成类似暗能量的状态，但它不能说明星系的形成过程。
今年初，哈佛大学的尼玛·哈卡尼-海默等人也提出了一种把暗物质和暗能量统一起来的模型，他们认为暗物质和暗能量是由一种看不见的、无所不在的流体的不同行为导致的，他们把这种流体称为“幽灵冷凝物”。这个模型和谢勒的模型有类似之处。
谢勒本人承认，尽管他的模型有许多积极特征，它还是有一些缺陷。例如，它需要特别细微的“微调”才能使模型工作。谢勒本人还警告说：还需要进行更多的研究来判断该模型的表现是否和其他观察材料相一致。另外，这个模型也不能回答这样一个“巧合”问题：为什么我们生存在一个计算所得的暗物质和暗能量的密度大体相当的时期？许多科学家怀疑这是否意味着目前的时期有什么特殊之处。
编辑:赵莉
3 美专家发现暗能量存在直接证据
记者毛磊
新华网华盛顿7月23日电 美国匹兹堡大学斯克兰顿博士领导的一个多国科学家小组23日宣布发现暗能量存在的直接证据。
爱因斯坦根据广义相对论最早作出了暗能量的假设。据推测，三分之二的宇宙可能由暗能量组成。暗能量会产生与引力相反的排斥力，因而常被用来解释宇宙加速膨胀现象。此前，其他研究者曾通过观测遥远的超新星发现宇宙处于加速膨胀阶段，间接证明了暗能量的存在。
这个多国科学家小组在研究中借助了美国“威尔金森微波各向异性探测器”卫星的观测数据。这台卫星主要用来对宇宙微波背景辐射的微小变化进行观测。作为“大爆炸”的“余烬”，宇宙微波背景辐射大约在“大爆炸”后38万年产生，其中的光子在宇宙中穿行时会经历一系列物理过程，特别是在经过质量较大的星系时，这些光子将遭遇“引力陷阱”。
斯克兰顿等人在新闻公报中介绍说，如果星系主要由普通物质组成，那么光子在落入“引力陷阱”以及从中逃逸出来的过程中，由于“陷阱”深度固定，其能量总体上将不会变化。但是，如果星系中包含暗能量，情况就会不同。由于暗能量的排斥力作用，光子在落入“引力陷阱”并逃出来的过程中，“陷阱”会逐渐变浅，能量反而增加。体现在微波背景辐射观测图上，经过这些星系区域的宇宙微波背景辐射温度将出现细微上升。
斯克兰顿博士等将“威尔金森微波各向异性探测器”以及另一项名叫“斯隆数字天宇测量”的观测计划的结果进行了对比分析，后者旨在测定宇宙中星系的位置和彼此间距离。对比的结果发现，经过一些大质量星系区域的宇宙微波背景辐射温度确实出现了微升。科学家认为，这一结果只有用暗能量才能予以解释。
暗能量与宇宙之命运
南方周末 2003-12-11 15:23:09
暗能量与宇宙之命运
宇宙未来的命运是大分裂还是大坍塌，这是一个问题。
□本报特约撰稿 柯南
不同的w
暗能量登上宇宙学的舞台只不过是近几年的事。
1998年，两个国际科研小组的研究结果表明，宇宙不但在膨胀，而且还在加速膨胀。天文学家用暗能量来解释这种现象。这个占了整个宇宙组成的大约70％的暗能量看上去是一个爱因斯坦的宇宙常数的现代版本。早年，爱因斯坦为了让静态的宇宙不因引力而坍塌，引入了具有反引力性质的“宇宙常数”。但是后来关于宇宙膨胀的发现让他放弃了这个所谓的“最大的错误”（参见2002年11月21日《南方周末》科学版）。 4 仅仅知道暗能量能够使宇宙膨胀，这远远不能满足天文学家的好奇心。暗能量的本质是什么，它会怎样左右宇宙的命运？对于这些问题的答案人们还知之甚少。天文学家把研究的焦点放在用来表示暗能量特征的参数w上。如果w等于－1，那么就意味着暗能量反引力的效果是一个常数，不随时间变化。如果w的值在－1到0之间，那么它的效果就可能随着时间变化。不同的w值意味着宇宙不同的命运。
如果w比－1还小，会发生什么情况呢？今年3月，英国达特茅斯学院的考德威尔（Robert
Caldwell）等人在一篇提交给《物理评论》的论文中讨论了w小于－1的情况。考德威尔的计算结果是，在这种非常极端的条件下，宇宙最终的命运是所谓的“大分裂”（bigrip）。在过于强大的暗能量的作用下，先是星系群被撕裂，然后是单个星系、行星系、恒星、行星„„直到原子。当然，即使这种极端情况会发生，它也将开始于非常遥远的220亿年之后。
一把钥匙
考德威尔的结论是否能够成立，需要依靠观测的检验。根据已有的观测数据，天文学家认为w是一个大约等于－1的数字，但是并不那么精确。为了找出宇宙命运的答案，天文学家需要——并且继续需要——求助于解开暗能量问题的一把钥匙：超新星。
过去20多年以来，天文学家使用所谓的Ia型超新星来测量遥远天体的距离。这种方法也帮助天文学家发现了宇宙的加速膨胀。
但是Ia型超新星并非唾手可得，它太稀少了。天文学家估计，在一个星系中平均100年才会出现一次Ia型超新星爆发。按照一般的情况，天文学家需要有中彩票头奖般的运气，才能观测到足够数量的超新星。否则，由于可用的数据太少，关于宇宙加速膨胀的准确度就要大打折扣。
所幸的是，已经有了一些专门的超新星观测计划，专门为暗能量的研究服务。ESSENCE是这些计划中的一个。在过去的一年中，ESSENCE观测到了25颗超新星，这是一个相当可观的数目。这个计划还要至少进行5年。
弄清宇宙演化的一个关键时刻也是ESSENCE的任务之一。随着宇宙的膨胀，引力相对逐渐变弱，而推动宇宙加速膨胀的暗能量相对变强。天文学家推测，在宇宙诞生的40亿年之内，应该有一个转折点。在这个转折点之前，宇宙是减速膨胀的。
但是这同样是一个困难的工作。天文学家不但需要找到足够的超新星，而且由于那些宇宙早期的超新星光谱有很大的红移量，以至于已经移到了红外线区域，这些宇宙早期的微弱光线会淹没在地球大气层的红外线“噪声”里。
为了克服这个缺陷，美国劳伦斯—伯克利国家实验室提出了SNAP计划。如果今年晚些时候国会能够批准SNAP，那么它将于2009年升空。在它的3年“任期”中，预计每年能够发现超过2000颗超新星，总计发现6000余颗。与ESSENCE计划相比，SNAP简直是个暴发户。
最终答案
关于暗能量甚至还有相反的推测。今年2月，斯坦福大学的卡罗希（Renata Kallosh）和林德（Andrei Linde）在《宇宙学和天体粒子物理学》杂志上发表论文。根据她们的计算，暗能量最终会由产生斥力变为产生引力。根据现有的超新星数据，她们提出的这种情况至少不会在180亿年之内发生——如果真的发生了，那么宇宙的命运就不是“大分裂”，而是所有物质都会聚集在一起的“大坍塌”了。
在暗物质支配下的宇宙的命运到底是什么？这仍然是一个不确定的问题。有了ESSENCE、SNAP的观测数据，以及哈勃太空望远镜（HST）和威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）的帮助，天文学家在不久的将来有可能解开暗能量这个物理学上最大的问题之一。面对这样一个宇宙尺度的问题，天文学家的优势在于：他们有足够的时间。