前言:
暗物質暗能量的話題總會在非專業人群中引起很多討論,引發一些似是而非的觀點/說法。這裡關於暗能量的問題,想以自己的理解,力所能及地用科學的精神科普一下。會盡量用任何人都能夠比較容易理解的,基本不大涉及技術層面(式子/計算)的話簡單概括。
一些由符號(? , ^)加上數字字母組成,用以輔助理解和繼續挖掘的擴展腳註附在本體之後。唯一的極為簡單的宇宙學紅移z和膨脹尺度因子a定義式子在注釋中。本體主要是關於暗能量;而如果閱者能全面理解本體之後將提到的,包含腳註內容的細節,那麼大概就可以說不只是對暗能量,同時也對當代宇宙學/宇宙論有了系統性的基礎理解了^f。
正文:
- 經過這20多年大量的,精密度比較高的宇宙學觀測,針對不同的物理現象(如微波背景輻射(cosmic microwave background=CMB),星系退行等),對不同年代的天體(對應天體光譜的宇宙學紅移z的大小)進行觀測?0,以及進行嚴格的數據處理+系統誤差統計分析發現,宇宙的膨脹率(遙遠星系天體的退行速率)意義上,在宇宙學意義上的「最近」(z小於約等於0.5)開始出現了加速膨脹[1]。
- 在考慮了標準理論模型(相對論+宇宙論;量子場論+粒子物理標準模型等)中所有已知甚至未知(未被證實但非常可能的理論假設)的物理現象和定律後(包括物質粒子+相互作用等),基本都無法自洽地解釋這種膨脹加速。
- 如何解決這個問題:
- 如果我們相信已知的標準理論模型(主要是廣義相對論)在宇宙尺度上仍然正確,那麼,考慮一種具有類似負壓、斥力性質的能量,作為解釋這種加速膨脹的來源的現象學模型,受到了學界的廣泛支持——這就是暗能量。那麼暗能量的理論依據和來源是什麼?可能是宇宙學常數,也可能是真空能(存在其他答案提到的巨大的量級鴻溝問題?1:宇宙學常數問題(cosmological constant problem=CCP)[2],也可能是一種超越粒子物理標準模型的場等[2][3]。
- 另一方面,也可能廣義相對論等我們熟悉的理論在宇宙學尺度和全宇宙上不再適用,需要進行修正和改進,打打補丁。用這些補丁可能帶來的,在宇宙學超大的尺度上表現出的不同於廣義相對論預言的效果,來解釋這種加速膨脹。與之相關的是一類叫做修正引力(modified gravity=MG)的理論,作為暗能量的替代解釋。
4. 最後,也存在的另一種可能(可能性不大):暗能量確實不存在,上面提到的所謂的「加速膨脹「是一種觀測偏差(bias)/誤差/錯誤/疏漏等……
- 儀器等帶來的系統誤差出現的可能性微乎其微,1. 中黑體字已點到,這些都經過了大量嚴密的數據誤差處理和統計分析(雖然這些分析也部分依賴於一些模型和假設,也包含一些我們難以化解的根本性困難,如cosmic variance,但是這一切都有嚴密量化和置信度分析等,這是科學的統計計量必須的)?2
- 對物理現象考慮不充分的可能性存在,比如天體物理而非宇宙學的現象,尤其是我們地球和銀河系周圍的?3。這個方面,較有希望作為解釋的一種方向是:我們周邊,太陽系/銀河系/本星系團等所處的環境其實在宇宙中是相對特殊的,比如處在一個顯著的低密度或者高密度泡中,又或者我們對於自己及周邊環境的自身運動(peculiar motion)了解的不充分等等?3。這些因素,可能會成為我們對宇宙觀測結果的系統bias。另一方面,極低能現象在觀測上極難,就像我們對星系團和星系等中的氣體分布遠沒有宇宙中的星系分布了解一樣(得益於最近20多年的精密巡天)。議論這些方面可能性論文這幾年還是有一些的。
總結:
不能打包票說暗能量被證明真實存在,但是可以比較有把握的說:宇宙加速膨脹現象是真實存在的。暗能量是解釋這種加速膨脹現象的一種相對簡潔自然的?1,被廣泛接受且內涵深度(新物理?)和可擴展性不錯的,超越標準理論範疇的現象學模型?4。當然,如上文已經提到的,作為其理論基礎,也有各種理論模型來提供暗能量這種現象的物理本質和物理來源是什麼的猜測(各種需要驗證)。某種程度上,修正引力等理論和暗能量理論存在競爭關係。
(正文本體結束。下面的腳註有些內容偏離了暗能量本身,涉及到當代宇宙學/宇宙論的全局,包括會涉及到暗物質等。對擴展細節不在意的話,可以全部略過不看)
腳註(主幹級)
?0: 關於宇宙學紅移
光是一種電磁波,可以具有不同的波長/頻率(ref. 電磁波譜),對應不同的單光子能量。宇宙學紅移z是指觀測到的遙遠天體的光譜(包含我們熟悉的各種元素的吸收峰/發射峰)的所有波長段,其譜線整體地/全局地紅移,波長變長的一種現象。類似運動的聲源帶來的聲音頻率變化,聲波的多普勒現象。此處即光波的多普勒現象。一般用宇宙學紅移z來定量化其波長相對於原波長變化的比例,定義如下:
λ為光波波長,z為宇宙學紅移,a為宇宙的尺度因子,一般習慣於將今天的時代設定為 (z=0)。通過觀測不同宇宙學紅移z的天體,我們可以了解宇宙整體的演化歷史,主要是膨脹(速率)史。這是暗能量被提出的歷史線索,也是主要依據之一^a。
?1:關於暗能量量級大小問題,雖然這裡有上面提到的CCP以及與之相關的精細調製/調製(fine tuning)問題 ^b,甚至可以扯到人擇原理等話題上,但這屬於發散的技術細節了。
?2:這類困難的一個例子是cosmic variance,有不同的定義和闡釋方式(根據不同convention也可以說有幾種不同的來源),但主要可以概括為:我們只有一個可觀測宇宙,而且我們只能從這個宇宙中的一個點來觀測這個宇宙 ^c。這方面,宇宙結構形成的模擬(simulation)對於構建和檢驗理論起到了很大幫助^c。
?3:對於加速膨脹大體需要宇宙結構形成的線性(大)尺度上,本地低密度泡/空洞(local void)來解釋。此處」本地「是在包含銀河系所在的星系團乃至超星系團的意義上。實際上根據結構形成的物質場流體 (fluid)理論,這樣的local void中的天體也有與之相關的自身運動peculiar motion的速度場,包括線性fluid motion+非線性random motion(引力束縛相關),就像與之對應/對偶的,在物質絲網結構(filaments)上的天體有向中心坍縮的大趨勢/速度場一樣(雖然一般來說filaments不是引力束縛系統,一般不被認為是「天體」,而是交由隨後將提到的宇宙結構形成理論去處理)。另一方面,我們對於宇宙的非線性(小)尺度上的天體物理的細節還沒有了解透徹^d。
?4:包含暗能量+暗物質的現象學模型/唯象模型[3],一般也叫做宇宙學的 標準模型(Lambda-CDM/LCDM模型)—— 是指代宇宙學常數的符號,常作為最簡潔的暗能量模型;CDM指冷暗物質^e 。這個模型可以定量、精確,且自洽地解釋天文巡天觀測到的:
(1) 星系退行速率(俗稱哈勃-勒梅特定律,Hubble-Lemaitre law) (2) 宇宙微波背景輻射CMB,著名的2.725K溫度的宇宙熱大爆炸餘輝(和與之相關的是觀測到的星系分布和密度漲落) (3) 熱大爆炸(輕)元素核合成(big-bang nucleosynthesis=BBN)帶來的輕元素的初始丰度等絕大部分事實。在較大尺度上,不僅是宇宙中物質和輻射背景中,各物理量的均一、各向同性的平均值,且其漲落功率譜上的非均一性(inhomogeneity)以及各向異性(anisotropies)等,都符合從LCDM模型生髮出的宇宙結構形成的標準攝動理論(standard perturbation theory=SPT)的預測,雖然這部分和冷暗物質關係或許更大一些。(雖然此問沒問暗物質,但同時這也是當代宇宙學支持暗物質的重要依據——星系的旋轉曲線是提出暗物質的動機和導火索,但觀測到宇宙的結構形成模式不依賴冷暗物質很難說明。)
較小尺度上,由於非線性現象導致的不可預測性+一些天體物理現象的缺乏了解限制^d,導致了宇宙學能做的事情不夠多,更多是屬於天體物理學的範疇了。不過也有很多把SPT擴展到準線性領域的不錯嘗試,雖然模型和解析式會變得複雜,喪失很大一部分簡潔性和美感。狹義上,LCDM現象學模型沒有說「暗能量是什麼」,而是說」按照這種性質「,從一定的初始條件出發^f.(4),宇宙會怎樣演化,其中的結構會怎樣形成,從而來和天文巡天觀測結果比對。大體來說,LCDM模型的預測和天文宇宙巡天的對多種現象觀測結果,在相當高的精度下高度相符,取得了巨大成功(雖然也有部分結果依賴一些建模和假設,但主要是瑣碎的非線性的部分)。
這也就是為什麼暗能量和暗物質被廣泛接受的原因(當然,歷史上,先有CDM,再有LCDM)。
(接下來的對腳註的腳腳註涉及更多細節,不想關注細節瑣碎問題的可以略過了,主要面向看了腳註產生了更多疑問的人 )
腳腳註(細節級)^_^;;
^a:
此處算式是一階線性多普勒性效應,對應宇宙學膨脹和宇宙學紅移z。實際上對於廣義的多普勒效應,我們還可以有橫向二階乃至相對論效應(略)。
既然宇宙一直在膨脹,且離我們越遠的天體的光抵達我們需要的時間越久,實際上我們看到是遙遠天體更早時代時的」像「。那麼直觀上,從發出到被我們接收到的光,傳播得越久受到宇宙學膨脹的影響就越久,所產生的的宇宙學紅移就越大。所以不同的宇宙學紅移的天體實際也對應了不同的時代,一般習慣將今天/我們現在所處的時代對應的的宇宙(z=0),設定為a=1/(1+z)=1。
注意哈勃-勒梅特定律只是我們的近旁/近鄰宇宙的線性近似關係,星系退行速率對應的宇宙學紅移z,與其離我們的距離之間關係,實際上比簡單正比更加複雜一些。可以用T表示宇宙的(平均)溫度,t表示宇宙時間(或者宇宙年齡),H表示宇宙的膨脹率,只需記住宇宙學意義上的
H(膨脹率)~t(年齡)~z(紅移)~a(尺度因子)~T(溫度)
之間存在函數對應關係。宇宙膨脹率H(a(t))有時也被叫Hubble rate或者Hubble parameter,其實可以寫成尺度因子a對時間的導數和a自身的比例(定義)。
換句話說,哈勃常數只是現在這個時代的宇宙膨脹率 . 此處可以有一張圖(毫無誠意地直接截自slide,原圖來自[R.P.Kirshner 2004]的論文[4],是的,就是懶……):