暗能量真的存在吗？

暗能量真的存在吗？科学界最伟大的革命，往往由现实和预期之间最细微的差异所引发。

16世纪，哥白尼提出地球并非宇宙中心，他的立论基础在当时许多人看来，不过是天体运动中一些深奥难懂的细枝末节。

今天，一场新的科学革命，已经随着11年前宇宙加速膨胀的发现而拉开序幕。

超新星亮度上的细微差异，曾让天文学家得出结论：构成宇宙的所有物质成分当中，有70%是完全未知的。

也就是说，空间中充斥着一种不同于其他任何物质的成分——它们始终推动着宇宙膨胀，而不像其他物质那样阻碍膨胀。

这种成分被称为暗能量（dark energy）。

暗能量真的存在吗？10多年过去了，一些宇宙学家依然对暗能量的存在感到不可思议，甚至开始重新思考那些最初令他们推导出暗能量的基本假设。

其中一个假设正是早期科学革命的产物——哥白尼原理（Copernican principle）。

这个原理认为，地球所处的位置既不是宇宙中心，也没有任何特殊之处。

如果我们抛弃这一基本原理，一套能够解释这些观测现象而又不需要借助暗能量的宇宙图景，就会令人惊讶地显现出来。

大多数人都非常熟悉这样一个观念：我们这颗行星不过是一粒宇宙微尘，在一个毫不起眼的星系边缘附近，围绕着一颗普普通通的恒星旋转。

在我们这个宇宙当中，类似的星系至少有数十亿，分布之广甚至超过我们的宇宙视界（cosmic horizon，即我们能够观测到的最远边界）——这使我们相信，自己在宇宙中的位置没有任何独一无二之处。

不过，有什么证据能够支持如此谦卑的宇宙观？我们又如何才能确定自己是否处在一个特殊位置上呢？天文学家通常会跳过这些问题，假定我们的微不足道是显而易见的，不需要进一步探讨。

我们或许真的处在宇宙中一个特殊的位置——考虑这样一种可能性在许多人看来似乎是不可思议的。

然而，这正是世界各地一些物理学家小组最近正在认真思考的观点。

具有讽刺意味的是，假设自己在宇宙中无足轻重，恰恰给宇宙学家提供了强大的解释能力。

根据哥白尼原理归纳而成的宇宙学原理（cosmological principle）声称：任何时刻，从空间中的任意一点朝任意方向看去，宇宙的模样都是一样的。

这个假设让我们可以把自己在宇宙一隅看到的东西外推到整个宇宙。

宇宙学家已经付出了巨大的努力，以宇宙学原理为基础，构建起了代表科学最高水准的宇宙学模型。

结合现代科学对空间、时间和物质的理解，宇宙学原理暗示：空间正在膨胀，宇宙正在变冷，其中充斥着来自炽热宇宙开端的遗迹——所有这些预言都被天文观测一一证实。

比如说，天文学家发现，遥远星系发的光似乎比邻近星系发的光更红一些。

这种被称为红移（redshift）的现象就能够用空间膨胀来巧妙解释，因为光波也会随空间的膨胀而被相应地拉长。

微波探测器还发现了宇宙极早期发出的辐射——宇宙微波背景（cosmic microwave background）。

这种大爆炸原始火球的遗迹，像一层帷幕包裹在空间各个方向，平滑得几乎完美无瑕。

公平地讲，能成功解释这些现象，我们自视谦卑的态度实在功不可没——假设自己在宇宙中的位置越不重要，我们就越能够“全面”地探讨宇宙。

黑暗降临既然如此，为什么我们不能安于现状？如果宇宙学原理真的如此成功，为什么还要去质疑它？问题就在于，天文观测有了一些非常奇怪的结果。

过去十年来，天文学家发现，对于红移程度确定的遥远超新星来说，观测到的亮度总是暗于预期。

超新星的红移标明了自它爆炸以来空间膨胀的幅度。

测出遥远超新星发光的红移程度，宇宙学家就能推断，这颗超新星爆炸时宇宙的尺寸比今天小多少。

超新星红移程度越高，它爆炸时宇宙的尺寸就越小，因此从那时起到现在，宇宙膨胀的幅度也就越大。

超新星的观测亮度给我们提供了一种方法，能够测量它到我们的距离，从而揭示这颗超新星爆炸距今有多久。

如果一颗超新星的红移程度已经确定，而它的亮度看起来又低于预期，这颗超新星的距离就一定比天文学家认为的更远。

它发的光需要更长的时间才能传到我们这里，这意味着宇宙从当时的大小膨胀到现在的大小，一定花了更久的时间。

因此，宇宙过去的膨胀速度一定比科学家以前预期的更缓慢。

事实上，遥远的超新星看上去非常暗，以至于宇宙必须加速膨胀才能赶上它目前的膨胀速度。

这种加速膨胀触发了一场宇宙学革命：宇宙中的物质本该吸引时空结构，使膨胀速度逐渐放缓，但超新星数据暗示，情况恰恰相反。

如果宇宙学家接受宇宙学原理，并且假设加速膨胀出现在宇宙各处，我们就能得出这样一个结论：宇宙中必定充斥着一种能够产生排斥力的奇异能量——暗能量。

在物理学家用来描述基本粒子和作用力的标准模型中，没有任何东西与暗能量相符。

这是一种尚未被直接观测到的物质，它的性质不同于我们以往看到的任何东西，能量密度也比我们能够作出的最简单设想低了120个数量级（根据量子场论推算出的真空能，能量密度是暗能量的10 120 倍）。

对于暗能量可能是什么，物理学家有了一些想法，但至今仍然纯属推测。

简而言之，对于暗能量，我们几乎可以说是一无所知。

不论暗能量可能是什么，研究人员正在着手进行一系列雄心勃勃、耗资巨大的地面和空间探测任务，用来寻找暗能量并测定它的性质。

对许多人来说，这是现代宇宙学面临的最艰巨挑战。

光明之路面对如此不可思议、看起来不太可能存在的暗能量，一些研究人员开始重新思考“暗能量存在”的推导过程，质疑起当时的一个根本假设——我们在宇宙中所处的位置到底是不是很普通，我们观测到的现象能不能推广到宇宙各处？如果抛开宇宙学原理，暗能量存在的证据能不能通过其他方式来解释？在传统宇宙学描述中，“宇宙膨胀”指的是宇宙作为一个整体发生的膨胀。

就如同谈论一个正在充气的气球：我们说气球充到了多大，指的是整个气球的大小，而不会具体到气球上每一小块膨胀了多少。

不过，我们都在聚会场合见到过一些奇形怪状的气球，它们的膨胀并不均匀。

比如长条状气球充气时，侧边上的一圈会迅速膨胀，然后鼓起来的部分才会向长条的另一端延伸过去。

在抛弃宇宙学原理的另一种宇宙学观点中，空间也能够不均匀膨胀。

一幅复杂得多的宇宙图景就此浮出水面。

我们不妨看一看下面这种模型，这是南非开普敦大学（University of Cape Town）的乔治·埃利斯（George Ellis）、查尔斯·赫拉比（Charles Hellaby）和纳齐姆·穆斯塔法（Nazeem Mustapha）最先提出，后来被法国巴黎－默东天文台（Paris-Meudon Observatory）的玛丽－诺埃勒·塞莱里耶（Marie-Noelle Célérier）进一步发展的：首先，假设宇宙各处膨胀都在减速，因为物质总是在吸引时空，阻止它向外膨胀；然后，假设我们居住在一个超级庞大的宇宙巨洞（cosmic void）之中——巨洞内部并非空无一物，只不过平均物质密度仅为其他地方的一半甚至三分之一。

一块空间区域越是空旷，内部包含的、能减缓空间膨胀的物质就越少；因此，巨洞内部的膨胀速度要比其他地方更快——正中央膨胀最为迅速，越靠近边缘膨胀越慢，因为巨洞外密度较高的区域在边缘附近已经开始发挥作用了。

任何时刻，空间不同部分的膨胀速度都不相同，就像那些奇形怪状的气球充气时膨胀不均匀一样。

设想一些超新星在这个不均匀宇宙中的不同位置爆发，有些靠近巨洞中心，有些靠近巨洞边缘，还有一些位于巨洞之外。

如果我们靠近巨洞中心，一颗超新星距离我们越远，它周围空间的膨胀速度就越慢。

它发出的光在向我们传播的过程中，所经区域的膨胀速度会越来越快。

光经过每一块区域，空间膨胀都会把光波拉长一点，这种效应累积起来产生了我们观测到的红移。

光在这样一个宇宙中传播一定距离后产生的红移，要比在以相同速度（即我们周边的膨胀速度）整体膨胀的宇宙中产生的红移略低一些。

反过来，光在这样一个宇宙中要达到一定的红移，它的传播距离就必须比膨胀速度一致的宇宙里光的传播距离更长——也就是说，这颗超新星必须离我们更远，因而看起来更暗。

换句话说，这个模型把膨胀速度的变化从时间上“转移”到了空间上。

通过这种方式，宇宙学家不需要引入暗能量，就能解释“超新星亮度暗于预期”这一观测事实。

为了让这套“另类”解释行得通，我们必须生活在一个真正达到宇宙尺度的巨洞之中。

超新星观测的范围已经延伸到几十亿光年之外，占据了整个可观测宇宙中很大的一部分。

要想解释这些观测数据，巨洞的大小就必须达到类似的尺度。

无论以谁的标准来看，这都足够称得上“巨大”了。

牵强附会？这样一个宇宙巨洞有多古怪呢？它似乎公然违背了宇宙微波背景（天文学家观测到微波背景在各方向上强度相差不超过1/100 000），更不用说星系在空间中看似均匀的分布了。

然而，更仔细的审视表明，这些证据也许不足以确凿无疑地排除宇宙巨洞。

背景辐射强度上的均匀一致，要求宇宙在各个方向上看起来几乎一样。

如果巨洞大致呈球形，我们离巨洞中心又足够近，这些观测事实就不存在任何问题。

此外，微波背景确实存在一些异常特征，或许能够用大尺度的非均匀性来解释。

至于星系分布，现有的巡天观测还无法探测到足够遥远的星系，根本不足以排除尺寸大到能够“模拟”暗能量的超级宇宙巨洞的存在。

这些巡天观测发现了大小约为数亿光年的“小型”巨洞、物质纤维及其他结构，但我们此前一直谈论的那个巨洞，尺寸还要再大一个数量级。

星系巡天观测有没有证实宇宙学原理，这是天文学界目前正在激烈争论的一个问题。

美国纽约大学的戴维·霍格（David Hogg）及其合作者所作的分析表明，宇宙中最大的结构大约为2亿光年；在更大的尺度上，物质的分布似乎均匀平滑，与宇宙学原理相符。

但意大利罗马费米中心（Enrico Fermi Center）的弗朗切斯科·西洛斯·拉比尼（Francesco Sylos Labini）及其同事主张，迄今为止发现的最大结构，不过是发现这些结构的星系巡天项目在有限的探测范围内找到的“最大”结构而已。

更大的结构或许超出了这些巡天的观测范围。

假设你有一张地图，显示了方圆10千米内的地形，一条公路从地图的一侧延伸到另外一侧。

由此得出最长的公路只有10千米长的结论，显然是错误的。

要确定最长公路的长度，你需要一张更大的、清楚标明所有公路起止地点的地图，这样你才能知道公路的完整规模。

与此类似，天文学家要证明宇宙学原理，就必须进行大规模的星系巡天，探测范围必须超过宇宙中最大的结构才行。

现有的巡天观测到底够不够大，这是一个尚在争论的问题。

对理论学家来说，超级巨洞也是一个难以“消化”的东西。

现有的所有证据都暗示，星系和纤维、巨洞之类的大尺度结构都是从微观量子涨落中“孕育”而来的（宇宙膨胀把这些微观“种子”放大到了天文学尺度），宇宙学理论能够准确预言特定大小的结构在宇宙中出现的几率。