破解暗能量之謎今天看來或多或少類似一場智力競猜,。即使真相只有一個，參與者也不必執(zhí)著地拘泥于一種答案,。我們現(xiàn)階段能做的是：考察每一種可能性,，并且通過日益積累的觀測去甄別真?zhèn)巍?/strong>

作為原始火球的歷史遺跡，微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)無疑是支撐大爆炸宇宙學(xué)的最重要基石,，它的高度各向同性和背景殘余溫度的觀測檢驗強(qiáng)烈支持了宇宙學(xué)原理和熱大爆炸模型,。不僅如此，對宇宙學(xué)和基礎(chǔ)物理研究具有深遠(yuǎn)影響的是,，微波背景輻射精細(xì)結(jié)構(gòu)的觀測也為暴漲宇宙和宇宙加速膨脹提供了最具影響力的支持,。

我們這里提到的宇宙背景輻射的精細(xì)結(jié)構(gòu)是指在大尺度均勻背景上的微小溫度起伏。1992年通過宇宙背景探索者衛(wèi)星COBE對全天空的反復(fù)掃描,，首次探測到十萬分之一的細(xì)微溫度變化,。相對于背景輻射的平均溫度，這些溫度差異所代表的“過熱”或“過冷”的區(qū)域,，直接反映出宇宙早期物質(zhì)分布的密度差異,。基于暴漲宇宙模型,，這種原初密度擾動來自驅(qū)動暴漲的標(biāo)量場的量子漲落,，它正是形成今天我們所看到的具有多層次結(jié)構(gòu)的大千世界的種子。顯然,，COBE觀測的深層意義在于它清晰地揭示了宇宙結(jié)構(gòu)的起源,，并將人類的目光引向宇宙的創(chuàng)生時期，隱約領(lǐng)略我們賴以生存的宇宙誕生伊始的模樣,。

要從宇宙微波背景輻射的精細(xì)結(jié)構(gòu)解密更多宇宙演化的信息,，我們需要重新考察背景輻射的形成和宇宙早期的熱演化歷史。為此,，我們簡要描繪一下那個時期重要劇情的發(fā)展,。

宇宙背景輻射產(chǎn)生于大爆炸后的三十八萬年，按照宇宙學(xué)的年代標(biāo)記,，所對應(yīng)的紅移大約在1100左右,。此時，隨著宇宙的絕熱膨脹,，溫度已冷卻到3000K,，電子和質(zhì)子已經(jīng)可以有效地復(fù)合成中性氫原子。此時,，僅存的光子已不足以將氫原子電離破壞,，隨之退出和重子物質(zhì)的耦合，自由地在宇宙空間傳播,，冷卻成為我們今天看到的微波背景輻射,。這個時期宇宙學(xué)家稱之為“復(fù)合時期”,。

復(fù)合時期以前，電子,、質(zhì)子和光子通過電磁相互作用緊密耦合,，形成原初相對論性等離子體。通過引力作用的放大,，原初量子漲落的種子已在暗物質(zhì)中持續(xù)增長并在空間形成不均勻的密度分布結(jié)構(gòu),。特別地，在暗物質(zhì)分布的高密度區(qū),，會形成不斷加深的引力勢阱,。這時，原初等離子體會落入暗物質(zhì)的引力勢阱中,，并在引力作用驅(qū)動下激發(fā)聲波振蕩,。這里存在兩種競爭性的過程，一是暗物質(zhì)的引力勢阱在自身不斷增強(qiáng)的同時,，也誘導(dǎo)重子物質(zhì)加入引力坍縮過程;再就是原初等離子體密度增加時,，光子壓強(qiáng)增大并抵抗重子物質(zhì)中引力坍縮的發(fā)生。兩種競爭性的過程拉鋸的結(jié)果是,，在原初等離子體中形成波紋式的聲波振蕩,。

隨后出現(xiàn)的是光子謝幕的華麗場景,。隨著宇宙冷卻,，復(fù)合時期來臨，光子和重子物質(zhì)迅速脫離了耦合狀態(tài),，原來參與振蕩過程的光子壓強(qiáng)突然消失,，聲波振蕩隨之終止。這時,，自由逃離的光子攜帶了最后的聲波振蕩信息向我們飛來,。在重子物質(zhì)中，由于光子的退場,，難以維持的聲波振蕩則在空間被凍結(jié)起來,，并在空間形成巨大的波紋式結(jié)構(gòu)。與此同時,，閃耀著光芒的混沌宇宙瞬間變得清澈透明,，帷幕落下，在眾神合唱(聲波振蕩)的裊裊余音中,，宇宙步入漫長的“黑暗年代”,。

讓宇宙學(xué)家倍感鼓舞的是，現(xiàn)代的技術(shù)手段已使我們可以從劇情的主要角色——光子和重子那里聆聽故事的真相,，并由此推斷故事發(fā)生的背景,。其中,，一個重要線索就是宇宙聲波振蕩有其固有發(fā)聲音調(diào)，其波長由聲波傳播的最大距離,，即所謂的聲波視界所決定,。根據(jù)聲波振蕩的物理圖像，對于自由膨脹的背景光子,，來自高密度區(qū)的光子溫度略高,，對應(yīng)“過熱”區(qū);來自低密度區(qū)的光子溫度則相對較低，對應(yīng)“過冷”區(qū),。顯然,，這種溫度異常區(qū)的典型尺寸應(yīng)和聲波視界的大小相當(dāng)，它為我們提供了一個固定的標(biāo)準(zhǔn)長度,。在今天看來,，它對應(yīng)的物理尺度大約4.9億光年，一把巨大的宇宙量天尺,。

通過測量這把宇宙量天尺的視角,，可以確定宇宙的整體幾何特性。在一個平坦宇宙中,，這把標(biāo)尺的空間張角恰好是1°;對封閉的球幾何模型,，相應(yīng)的尺度略大，而對于開放的雙曲幾何,，這一尺度略小,。

圖4 宇宙的幾何：(左)正曲率空間，對應(yīng)封閉宇宙;(中)零曲率空間,，對應(yīng)平直宇宙;(右)負(fù)曲率空間,，對應(yīng)開放宇宙

本世紀(jì)的第一個四月，Boomerang項目公布了在南極內(nèi)陸冰蓋完成的氣球?qū)嶒灲Y(jié)果,，它搭載的探測器繪出了宇宙微波背景溫度起伏的一幅高分辨率的快照,。從這幅圖像可以診斷出溫度異常的特征尺度恰好是1° ——它讓我們確信，我們生活在一個平坦的宇宙中,。

遠(yuǎn)古時代的歷史同樣記錄在故事的另一個主角——重子那里,。當(dāng)最后一輪聲波掠過，波峰處會產(chǎn)生一定的物質(zhì)堆積,，通過引力作用的放大,，密度的起伏會不斷增長，并最終發(fā)展成為我們今天看到的眾多遙遠(yuǎn)的星系,?？梢韵胂螅刈诱袷幍木薮蟛y自然會在宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)中留下印跡。

圖5 南極內(nèi)陸的Boomerang氣球?qū)嶒?，通過對宇宙微波背景輻射溫度漲落功率譜的測量,，繼而給出最后散射面角距離的精確估計，證實了宇宙是平坦的

對重子聲波振蕩的測量,，天文學(xué)家采取慣用的統(tǒng)計相關(guān)分析,，它在宇宙大尺度結(jié)構(gòu)研究中用以表征物質(zhì)的成團(tuán)特征。它的基本思想是,，數(shù)數(shù)一個星系在某一給定距離上有多少鄰居,，如果它超出隨機(jī)樣本的平均數(shù)，我們就可以認(rèn)為星系傾向于結(jié)群而居,。采用這種評估方法,，重子聲波振蕩應(yīng)表現(xiàn)為在聲視界尺度上星系有更多的遠(yuǎn)鄰，統(tǒng)計上可以表述為關(guān)聯(lián)強(qiáng)度的超出,。顯然,，由于聲視界巨大的空間尺度，我們需要在一個巨大的宇宙學(xué)體積中積累足夠多的觀測星系樣本,。

圖6 復(fù)合時期的聲波振蕩在空間凍結(jié)以后,，遺留在宇宙大尺度結(jié)構(gòu)中的成團(tuán)特征

2005年，憑借斯隆數(shù)字巡天的強(qiáng)大觀測能力,，天文學(xué)家們收集了等效邊長為50億光年的立方盒子里5萬個亮紅星系的樣本,。通過成團(tuán)性分析，宇宙學(xué)尺度上的重子聲波振蕩首次展現(xiàn)在世人面前,，它提供給宇宙學(xué)家們一把巨大的量天尺,，能夠同時測量不同時期宇宙的大小和膨脹速度, 以此直接跟蹤暗物質(zhì)和暗能量的演化。

當(dāng)2011年諾貝爾物理學(xué)獎的塵埃落定,，天文學(xué)家薩爾·波爾馬特,、布萊恩·施密特和亞當(dāng)·里斯站在領(lǐng)獎臺上,，理論物理學(xué)家們不得不嚴(yán)肅地面對驅(qū)動宇宙加速的神秘力量——暗能量,。不可否認(rèn)，對于全然未知的存在,，也正是可以充分發(fā)揮想象力的空間,。據(jù)稱，現(xiàn)有暗能量模型的數(shù)目超過研究人員的總數(shù),。破解暗能量之謎今天看來或多或少類似一場智力競猜,。即使真相只有一個，參與者也不必執(zhí)著地拘泥于一種答案,。我們現(xiàn)階段能做的是：考察每一種可能性,，并且通過日益積累的觀測去甄別真?zhèn)巍?/p>

顯然，第一種可能的選擇是物理學(xué)家熟知的宇宙學(xué)常數(shù)。正如我們已經(jīng)提到的,，宇宙學(xué)常數(shù)是幾起幾落,，數(shù)度沉浮，關(guān)于這一模型的討論一直在反反復(fù)復(fù)的嘈雜聲中進(jìn)行,。半個世紀(jì)以來,，一旦出現(xiàn)令人困惑的天文觀測結(jié)果，宇宙學(xué)常數(shù)總是被不情愿地推到前臺,。事實上,，令幕后的理論物理家極度困擾的是，允許宇宙學(xué)常數(shù)存在帶來的麻煩更大,。

在亞原子世界的知識領(lǐng)域,，宇宙學(xué)常數(shù)的唯一來源是真空。在粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型中,，真空是具有能量的,，它由真空的量子漲落決定。量子法則允許真空中存在不斷產(chǎn)生,、不斷湮滅的虛粒子對,，這就是量子世界的“真空不空”。

在沒有引力參與的標(biāo)準(zhǔn)模型中,，真空能量的絕對數(shù)值并不重要,，即使考慮真空相變，我們只對能量的改變感興趣,。它類似于經(jīng)典力學(xué)保守力場的計算,，勢能的零點可以任意選擇。但是,，一旦有引力的介入,，情形就完全不同。原因很簡單,，真空能量的大小會影響時空結(jié)構(gòu),。

因此，理論物理學(xué)家不得不引入另一個假設(shè)：每一個理論都存在一個能標(biāo),，計入真空能量的量子漲落必須在這個能標(biāo)上被截斷;或者說,，這個能標(biāo)是真空量子漲落的最大能級。對引力而言,，它對應(yīng)于時空出現(xiàn)量子泡沫的能量,，這一能量就是所謂“普朗克尺度”，其數(shù)值大約為
, 比質(zhì)子質(zhì)量大18個量級,。

結(jié)果,，疑難出現(xiàn)了!

在量子引力理論框架中，宇宙學(xué)常數(shù)由真空能決定，其自然值為
, 其中為普朗克質(zhì)量,。

根據(jù)最新的天文觀測,，真空能對宇宙總密度的貢獻(xiàn)大約占70%，我們有 ,， 這里是宇宙的總能量密度,。它比預(yù)期值小120個量級—— 一個難以置信的數(shù)字，幾乎為零又不精確為零!我們對“0”已經(jīng)習(xí)以為常,，這是一個自然的“真空”值,。但理論上賦予“真空”一個小數(shù)點后120位的數(shù)字，確實讓理論物理學(xué)家頗為棘手,。

接下來的問題更是撲朔迷離,。

今天觀測給出的真空能密度和物質(zhì)密度恰好處于同一數(shù)量級。然而,，它們具有截然不同的演化方式,。對于物質(zhì)成分而言，其能量密度隨著宇宙的膨脹而不斷稀釋,。在非相對論性階段,，它遵從，這里a是宇宙的膨脹因子,。但對宇宙學(xué)常數(shù),，其能量密度始終保持不變，即
=常數(shù),。 經(jīng)歷暴漲階段,，宇宙的空間尺度已膨脹幾十個量級，但為什么今天我們所看到的恰巧是,， 這就是所謂“巧合性問題”,。

為保證今天的巧合，需要對宇宙極早期的初始狀態(tài)做極其精細(xì)的調(diào)整,，否則,，只要初始的設(shè)定出現(xiàn)極微小的偏離，宇宙就會按照全然不同的路徑演化,。在這樣的宇宙中,，星系沒有足夠的時間形成,，更不會出現(xiàn)生命,，當(dāng)然，也就不存在可以提出巧合性問題的物理學(xué)家,。