天體粒子物理與宇宙學

暗能量(dark energy)

把一個球徑直往上拋,它會慢下來,因為重力把它往回拉。在 20 世紀的大部分時間裡,物理學家都以為整個宇宙就像那個球:它自大霹靂以來一直在膨脹,而它全部物質的重力,應當溫和地把這膨脹減慢下來。然後在 1998 年,兩支測量遙遠爆炸恆星的團隊發現了相反的結果。宇宙的膨脹沒有減慢——而是在加速。有某種東西在把空間撐開,與重力對抗,而且隨著宇宙長大,它愈發占據上風。物理學家把這股未知的推力命名為暗能量。

坦白說,暗能量只是一個占位的名字,用來指稱那個引起加速的、無論它是什麼的東西。最簡單的描述是:空曠的空間本身就帶著一份恆定的、微小的能量——這個想法叫宇宙學常數——它像一種處處存在、時時刻刻向外推的壓強。物質會隨著空間膨脹而稀釋,這份空間的能量卻不會,它的密度始終如一;於是宇宙越大,它就越多,越來越壓過被稀釋的物質重力。到今天,暗能量被估算占了宇宙總能量的大約百分之七十。

暗能量出現在一本粒子物理詞彙表裡,有一個讓人難堪的理由。量子場論說,空曠的空間不該是真正空的——它應當被量子漲落帶來的真空能量攪動著——這聽上去正是宇宙學常數的天然來源。可當物理學家去估算它有多大時,得到的數字比觀測到的暗能量大得離譜,常被引用為大約 10 的 120 次方那個量級。這道鴻溝,即宇宙學常數問題,是物理學中最深的未解之謎之一,是一記刺眼的信號,提示我們關於量子力學與重力如何拼合在一起,還缺著某種根本性的東西。

已知亮度的遙遠超新星,看上去比膨脹一直在穩步減慢時本該有的樣子要略暗一些——也就是說,更遠一些。這一細微的變暗,正是膨脹其實在加速的第一個直接跡象。

宇宙的膨脹在加速,而非減慢。

暗能量與暗物質共用一個「暗」字,卻毫不相干:暗物質會成團、增添重力,把東西往一起拉;而暗能量是平滑的,把空間往外撐。這兩個名字主要標記著我們仍然有多麼不理解它們。

又稱
cosmological constant宇宙学常数宇宙學常數