暗能量之谜

宇宙在膨胀

还记得我之前讲过，在当今宇宙中，有两个最大的谜题，它们被并称为黑暗双侠，这就是暗物质和暗能量。而暗物质之谜我们已经讲过，今天就来给你讲暗能量之谜。

要把暗能量到底是什么给你解释清楚，我必须要从爱因斯坦提出广义相对论的那个时代讲起。爱因斯坦在1915年提出了一个场方程，这个理论把万有引力描述成了时空的弯曲。

依照爱因斯坦的理论，地球为什么绕着太阳转呢？那是因为太阳周围的时空是扭曲的，就好比平坦的表面上有个巨大的坑，地球速度不够，飞不出这个大坑。但地球的运动速度也确保了我们不至于掉进坑底。我们在地球上受到的重力也是时空弯曲效应的体现，我们也很难爬出地球的引力阱。踢向天空的足球最后总是会掉回地面。

20世纪初，物理学爆发了两场革命，一个就是刚才说的相对论，另一个就是量子力学。量子力学关注的是微观领域的运动规律。爱因斯坦深知自己的场方程在微观领域是没有用武之地的，因为引力太微弱，大约只有电磁力的10-37倍，完全可以忽略不计。在日常生活的尺度上，牛顿力学也就够用了。只有在大尺度上，特别是宇宙级别的大尺度上，他的场方程才能发挥出最大的威力，于是爱因斯坦就把注意力投向了宇宙学领域。

爱因斯坦的场方程看上去还挺简洁的，其实这是因为爱因斯坦发明了一套简便的数学符号，把一大堆方程组写成了3个字母，所以看起来才显得非常简洁。其实摊开了以后是个非常复杂的方程组，而且计算起来极其困难。方程的一边代表能量，另一边代表时空的形状。

爱因斯坦认为，宇宙里的物质是均匀分布的，上下左右各个方向都没什么区别。当时的天文观测的确是支持他的想法的。有了这个前提条件，就可以用场方程来整体计算宇宙了。但令爱因斯坦自己也没想到的是，他计算出了一个动态的宇宙。什么叫作动态的宇宙呢？就是说，从整体上来讲，宇宙不可能保持静止，要么就在整体膨胀，要么就在整体缩小，就好比整条河都在流动，小船即便什么都不做，也无法静止在原地。

宇宙怎么可能是动态的呢？爱因斯坦总觉得不对劲。宇宙整体上应该是保持静止的，一定是自己的方程式少了什么，于是他加入了一个宇宙常数，这个常数加进去以后就相当于添加了一种排斥效应。假如数值合适，就可以让宇宙保持静止，不再变化。当时，像爱因斯坦这样用场方程来计算宇宙的人还不在少数。俄国人弗里德曼也计算出了和爱因斯坦类似的结果。

只是弗里德曼比爱因斯坦的胆子大，他欣然接受了动态宇宙这样一个貌似很不合理的结论，但是爱因斯坦不同意他的理论。爱因斯坦认为，宇宙常数已经解决了这个问题。但没多久，比利时的神父勒梅特发现，即便带上宇宙常数，算出来的宇宙依然是动态的。

到了1929年，哈勃发现了宇宙中遥远的星系都在远离我们，而且距离越远的星系跑得越快，这说明什么呢？这说明宇宙在膨胀。

科学家们总是喜欢用气球来打比方。你在一个气球表面涂上一些点。当气球被吹大的时候，所有的点都在彼此远离。但是气球表面是没有中心点的，你站在每一个点上都会看到其他的点在远离你，而且是远处的跑得快，近处的跑得慢。哈勃在望远镜里也看到了这样的现象。这个现象用宇宙整体膨胀来解释是最合理的。

爱因斯坦得知这个消息后，他当然是非常后悔的，原来宇宙真的在膨胀，宇宙真的是动态的。他觉得自己犯了一个一生中最大的错误，那就是添加了一个其实毫无必要的宇宙常数。

为什么这是一个错误呢？因为他在添加这个常数的时候是没有任何理由的，仅仅是为了满足他对宇宙的一个固有观念。从这个角度来讲，他的确是犯了一个错误。但是在他去世40年之后，天文学界的一个惊人发现却让这个宇宙常数又被后人翻出来赋予了别的含义。不得不承认，大师就是大师，犯错误都能歪打正着。如果爱因斯坦地下有知，不知作何感想。

到底是一个什么样的惊人发现呢？这个惊人的发现来自于两队独立的天文学家对遥远星系的距离和退行速度的测量。我们首先来讲星系的退行速度是怎么测量出来的，当年牛顿用三棱镜把太阳光分解成了彩虹的颜色，后来大家又发现在太阳的光谱里面有很多细细的黑线，这一连串的黑线就像条形码一样，但是没人知道这些线条代表什么含义。

后来大家才明白，原来这些细线是和各种化学元素有关系的。我们通过识别这些条形码，就能知道太阳上有什么元素。比如说氦元素就是首先从太阳上发现的。于是这些黑色的线条就被称为“吸收谱线”，简称“光谱线”。

很快，大家就发现，光谱线会出现整体性偏移，特别是那些遥远的天体，这说明天体发光频率整体发生了改变。光谱线向红色那一端偏移称为红移，往蓝色那一端偏移称为蓝移。哈勃第一个发现，大部分天体普遍出现红移现象，所以也叫宇宙学红移。

宇宙学红移代表什么含义呢？它代表着光的频率整体降低。哈勃当时认为这是由多普勒效应造成的。什么是多普勒效应呢？当一辆汽车按着喇叭向你飞驰而来的时候，音调变高。从你身边飞驰而过的时候，又变成了音调降低。音调的变化幅度与速度直接相关，我们可以根据音调来计算相对运动速度。光也是一种电磁波，也有多普勒效应。哈勃认为红移就代表着天体逃离我们的速度。红移越大，速度越快。

现在我们知道，哈勃对宇宙学红移理解有误。这是宇宙的膨胀导致了光波被拉长，因此频率降低。但是不管怎么说，光谱的红移量就像一个速度表，标志着天体与我们之间空间尺度拉大的速度。

那么天体的距离如何测量呢？这就要靠一根接一根的量天尺来测量。我们很容易用三角测距法计算出某些恒星的距离。300光年之内，都可以用三角法测量。这是我们拥有的第一把宇宙量天尺。

但是，更加遥远的天体就不行了。假如要测量银河的大小，区区300光年是无论如何不够用的。哈勃要测量银河系的邻居仙女座大星系的距离，那就更不够用了。我们需要一把更长的尺子。

哈勃使用的是造父变星。我们来打个比方说明问题。一盏100瓦的大灯泡，放得越远光越弱。我们知道大灯泡的绝对亮度是100瓦，又能测量观察到的视觉亮度，根据这两个数值的差，就能计算出距离。对天上的星星也可以照此办理。但是，我们不知道天上的星星绝对亮度是多大，这是个难题。

好在，哈勃时代这个问题基本解决了。他在仙女座大星系里面发现了造父变星。这种天体的亮度就像手机呼吸灯一样会由亮变暗，再由暗变亮，如此循环往复。周期长短和绝对亮度是有关联的。那么知道变光周期也就可以推算出绝对亮度。这是第二把尺子，当然第二把尺子要用第一把尺子来校准。哈勃就是利用造父变星测算了大大小小星系的距离，从而发现了遥远的星系都在远离我们。

现在的太空望远镜已经可以拍摄到非常遥远的天体。感光器件连续曝光几十天，对准针眼大小的区域拍一张照片。照片上每个光点都是一个星系团。即便是星系团级别，也不过才几个像素大小，我们无论如何都没办法从中分辨出造父变星。第二把量天尺也失效了。

为了能够测量出距离地球几十亿甚至上百亿光年外的星系距离，我们必须要找到新的量天尺，那么有什么办法能把量天尺推进到视野的尽头呢？办法终于被天文学家们找到，这还不得不从一个薅邻居家羊毛的小偷说起。好了，下节为你揭晓答案。

大爆炸宇宙学

上一节结尾的时候我卖了个关子，用造父变星这把量天尺我们只能测量距离我们较近的星系，稍微远一点的星系在天文照片中只不过是一个亮点，小的只有几个像素大。几个像素之中当然没有办法分辨出造父变星。那该怎么办呢，天文学家们靠什么来计算这种暗弱星系的距离呢？

办法当然是有的，这个办法与恒星的死亡有关。宇宙中最常见的恒星是太阳这样稳定燃烧的普通恒星。太阳在50亿年之后会变成红巨星，最后的归宿是白矮星。白矮星需要漫长的时间才能冷却下来，变成一种不发光的黑矮星。一般来讲，到了白矮星阶段，恒星就算是死了，到了黑矮星阶段算是彻底死透了。

比太阳大8—10倍的恒星死的时候不会这么平淡，假如在这颗恒星的晚年，吹光了所有的气体以后，剩下的核心质量还超过1.44倍太阳质量，那么它是没办法稳定存在的，会发生超新星爆发，最后剩下一个中子星。超新星爆炸的亮度可以达到普通星系总亮度的一千倍以上。

1054年，宋朝的司天监记录到了一颗“天关客星”。这颗星在23天里的白天都能看到，在随后的一年里，夜里还能看到。大约一年以后，它逐渐消失了。后来天文学家在同一个位置找到了一个蟹状星云，到现在这个星云还在以1450千米/秒的速度膨胀。中间还有一颗新鲜出炉的中子星在高速旋转。一千年的时间对天体来讲，真的可以算是新鲜出炉。这颗超新星就是由一颗质量是太阳质量9—11倍的恒星爆炸形成的。

但是，还有一类超新星，爆炸以后会炸得干干净净，一点残渣都不留。太空里成双成对的双星是非常常见的，其中一颗星已经到了风烛残年，变成了白矮星。可是因为离伙伴距离太近，这颗白矮星就开始薅邻居家的羊毛，疯狂吞吃伙伴的气体，越吃体重越大。当质量达到了1.44倍太阳质量这个临界值的时候，就会突然发生超新星爆发。这种薅邻居家羊毛的小偷被称为Ia型超新星。而这种Ia型超新星有一个显著的特点，由它爆发的原理可知，它每次都是刚好达到1.44倍太阳质量就爆炸。这等于是一颗装药非常精确的闪光弹。我们完全可以用Ia型超新星来当作标准烛光。它比造父变星亮太多了，可以在极其遥远的距离上看到它。NASA发现了迄今为止最远的Ia型超新星，距离我们100亿光年，换句话说，它是在100亿年前爆炸的，居然还能被我们在地球上看到，所以Ia型超新星是一把非常优秀的量天尺。

尽管超新星非常亮，但是因为距离远，所以看起来仍然非常微弱，寻找起来非常难。一般都是用比对照片的办法来查找是不是有哪个小点以前没见过。有些星系的星系核也会突然变亮，有的恒星会被太阳系里的小天体遮挡，造成亮度变化，因此还要排除这些干扰因素。好在现在都可以用计算机程序来自动化操作，还可以加入AI人工智能帮忙，找到Ia型超新星已经不像过去那么艰难了。

超新星是一把非常好的量天尺，但是也需要精确校准。利用爆炸余晖，可以把这把尺子调节得更加精确。遥远的天体发出的光千里迢迢跑到我们地球的过程之中，难免会碰上气体云、尘埃之类的，还要矫正这些雾霾带来的亮度误差。这些气体云和尘埃会更多地吸收蓝光，因此可以从红光和蓝光的比例来判断衰减了多少。

经过天文学家的不断努力，这把尺子已经被校准。20世纪90年代以来，有两个独立的研究团队利用当时世界上最先进的设备，在连续几年的时间里，坚持不懈地对高红移Ia型超新星进行了观测，系统地研究了宇宙膨胀现象。他们本来的目标是计算出宇宙膨胀的减速状况。

上次我们讲到过弗里德曼和勒梅特，到弗里德曼的学生伽莫夫手里时，大爆炸宇宙学正式成型。这个理论的基础就是来自于爱因斯坦用场方程对宇宙作出的计算。依据大爆炸宇宙学，我们宇宙的万事万物来自138亿年前的一场大爆炸。从这一个点开始不断地膨胀，产生了现在的万事万物。

科学家们预计，在爆炸以后，受到引力的作用，宇宙的膨胀速度会减慢，就像炮弹朝天上发射一样，出炮膛的一瞬间速度是最快的，然后就会开始减速，当达到最高点，速度为0时，下落的过程就开始了。速度不够快是飞不出地球的引力范围的，炮弹上升的高度有极限值。

当然，炮弹速度足够快，就可以不掉下来，变成卫星，再快一些就可以飞出地球引力范围，一去不回头。所以在过去，物理学家们也一直都认为宇宙大爆炸和炮弹发射很类似，宇宙中的所有物质都会产生引力。假如物质足够多，引力足够大，最终我们的宇宙膨胀到了顶点，还是会开始收缩的，最后重新变成一个点，这个过程叫作“大挤压”。这样的宇宙虽然无比辽阔，但是体积终究有限，因此也叫封闭宇宙。

假如物质不多不少刚刚好，我们的宇宙再也不会收缩了，虽然膨胀速度在下降，但是永远也减不到0。和人造卫星不会掉到地球上是同一个道理。这是一种温和的结局，一切都慢慢消逝。

这一切的关键都取决于我们的宇宙物质密度有多大。根据科学家们的计算，宇宙物质密度有一个临界点，平均下来就是每立方米3个氢原子，如果超过这个临界点，那么宇宙恐怕将会走向大挤压结局。但是目前我们发现宇宙的物质密度远比这要小，大约每立方米只有0.2个氢原子。看来我们的宇宙并不是一个封闭的宇宙。

为了探求宇宙的未来，天文学家们试图测量宇宙膨胀的精确速度，从而确定它的减速情况。几乎所有的科学家都认为，宇宙膨胀理所应当是在刹车，区别无外乎是温和的刹车，还是急刹车，也有小部分科学家认为是空档滑行。

20世纪90年代，有两个各自独立的团队几乎同时向这个宇宙终极命运问题发起了冲击，其中一个团队由美国劳伦斯伯克利国家实验室的波尔马特领衔，成员来自7个国家，总共31人，阵容强大；另一个团队则由哈佛大学的施密特领衔，也是一个由20多位来自世界各地的天文学家组成的豪华团队。

波尔马特团队的计划叫作超新星宇宙学计划，而施密特团队的计划叫作高红移超新星搜索队。最终，两个团队先后发现了让人大跌眼镜的现象，宇宙在前70亿年确实是在减速膨胀，可是在70亿年前的某个时间点上，减速膨胀反转成了加速膨胀，这就好像开车，先是踩刹车，然后再踩油门，这个事情就大大出乎科学家们的意料了。爱因斯坦或者伽莫夫要是听说这事儿，估计一口老血都能喷出来。

宇宙加速膨胀的这个观点足以惊动全世界，这样惊人的观点要站住脚，必须要经受住比其他科学观点更加严苛的考验。因此，尽管两个团队公布了所有的观测数据和他们的研究方法，但要让全世界的科学家们接受依然证据不够。在这之后，世界各地的天文学家们又进行了大量的独立观测、验证，包括COBE、WMAP和普朗克卫星都对这个结论做了不同程度的观测验证。到今天为止，宇宙加速膨胀已经成为一个经受住严苛检验的事实而被科学共同体所接受。

2011年，波尔马特、施密特以及亚当·里斯获得当年的诺贝尔物理学奖。这一次，诺贝尔奖算是反应比较迅速的，没有等到这几位七老八十才把奖发给他们。波尔马特算是最老的，当时也才52岁。在此之前，他们已经拿奖拿到手软了。

从诺贝尔奖的反应速度，大家也能掂量出他们的成就有多重要。这个发现实在是太让人意外了。那么，接下去，就自然而然会产生一个重要的问题：到底是谁在踩油门呢？这一切该如何解释呢？咱们下节揭晓答案。

最后，我给大家找了一个Ia超新星爆炸原理的演示视频。如果你有兴趣，在我的微信公众号“科学有故事”中，回复“超新星”，就可以观看了。

暗能量与宇宙常数

上一节，我们讲到科学家们发现，我们的宇宙正在加速膨胀。按照过去的理论，这是不可能的。我们过去认为，宇宙膨胀应该是减速的。现在发现，宇宙就像被踩了油门，在加速膨胀之中。到底是谁在踩油门呢？这是个大问题。

为了解决这个问题，1998年，迈克尔·特纳引入了一个新名词，那就是“暗能量”，我们讲到最后一集，这个名字才浮现出来。因为讲暗能量只能从宇宙大爆炸的发现一路讲起，否则没有基础的人是根本听不懂的。所以，暗能量其实还是一个假想的概念。

研究暗能量，必须要从宇宙诞生的那一刻开始。138亿年前，宇宙从一个奇点之中诞生。爆炸后的一瞬间，物理法则开始生效，那个瞬间，一切都是温度极高的状态，随着宇宙的膨胀，温度开始下降了。到了第10—11秒左右的时候，粒子的温度已经降低到了我们现有高能物理理论能掌握的阶段。我们就可以计算那个时候究竟发生了什么事情。那个时候，夸克和胶子开始组合成质子和中子。第10-6秒时，宇宙产生了大批的质子与反质子对、中子与反中子对。但是数量并不匹配，正粒子比反粒子多了这么一丝丝。随后它们互相抵消湮灭，还剩下十亿分之一的中子和质子保留到今天。大爆炸以后1秒左右的时间段，电子和正电子也遭遇过类似情况，电子也多了一丝。我们看到的宇宙星辰就是由这残留的一丝正物质构成的。

在宇宙大爆炸大约3分钟后，宇宙浓汤的温度足够低了，原子核才能形成。一直到大爆炸以后38万年，宇宙的雾霾才逐渐散开，变得透明。光子才能痛快地在宇宙里不受限制地随意穿行。这就是大爆炸以后发出的第一缕光。这些光子已经被我们人类探测到了，这就是“宇宙微波背景辐射”，它能告诉我们宇宙早期的信息，以及宇宙之中物质含量的信息。因为这些光子几乎是穿行整个宇宙才落到我们的探测器里，它们一路之上受到的引力扭曲，穿过的气体，遇上的尘埃，都会在微波背景辐射之中留下痕迹。

通过对微波背景辐射的研究，大家发现，无论是普通物质还是暗物质，甚至暗能量，都会对宇宙的曲率有贡献。科学家们发现，我们的宇宙非常平坦，所以总物质量应该是接近临界密度，也就是每立方米5个氢原子的水平。可是现在统计下来，把暗物质也都算上，满打满算也才30%左右。因此，科学家们推测，剩下的这些就是暗能量。根据普朗克卫星的最新数据，暗能量占68.3%，暗物质占26.8%，普通物质仅占4.9%。

我们在讲到暗物质的时候，讲到过4种基本的力。暗物质可能有引力和弱相互作用。这个暗能量，连弱相互作用都不可能有。它只有引力，最奇葩的是它的引力是负数，也就是斥力。

那么我们大致可以这样描述宇宙膨胀，刚发生大爆炸的时候，宇宙膨胀极快，但是只要有引力在，必定是减速的，那时候暗能量的力量相对弱小。等到宇宙足够大了，物质足够稀薄了，物质相互之间变远了，引力开始变弱了，弱到一定程度，被暗能量翻盘压倒，最终，引力输给了暗能量的斥力。于是宇宙开始加速膨胀。

从宇宙膨胀先减速、后加速的情况来分析，暗能量似乎不会随着宇宙尺度的扩大而被分摊，它似乎和宇宙的尺度没关系。似乎暗能量是处处均匀，处处一致的。难道，神秘的暗能量就是当年爱因斯坦场方程里那个号称最大错误的宇宙常数吗？

的确，宇宙常数可以体现为一种排斥效应，这是个非常合理的解释。常数就意味着不变，当然不会随着宇宙的尺度发生变化，也不会有均匀不均匀的问题。所以说，爱因斯坦的确够厉害，连犯错误都能歪打正着。

目前估计，暗能量的数值是非常小的。因此我们在实验室里面也没办法测量出来。哪怕达到星系级别也看不出暗能量有多大的本事。但是，最可怕的一点就是它处处都一致，哪怕到宇宙边缘，人家还是不会衰减。在宇宙尺度上，引力只有甘拜下风。

真空能

假如暗能量真的是爱因斯坦添加的宇宙常数，这个数值到底有多大，这个东西是与普朗克常数、万有引力常数一样的基本常数吗？我们仍然不知道这个常数是因何而来的。我们只是为了解释某种现象而硬塞了一项数值进去。

我们曾经说过，对于量子物理学家来讲，真空其实是沸腾的粒子海洋，真空之中蕴含着能量，但是，我们日常的工作生活从来也感觉不到这种能量的存在。因为我们关心的是能量的变化，能量的差值，而不是能量的绝对值。我们说珠穆朗玛峰是世界最高峰，海拔8844.43米，说马里亚纳海沟是世界最深的深渊，最深处在海平面以下11034米。我们为什么都是从海平面算起呢？我们为什么不考虑脚底下还有6400千米的地球半径呢？因为海平面是一个人为标定的0点，这么做最方便。与此类似的还有温度，0摄氏度可不代表没有温度。同理，科学家们也把真空视为能量的0点。这样计算是最方便的。反正在一般情况下，你也找不到比真空的能量更低的东西了。因此，真空能也叫“零点能”。

但是，在计算宇宙之中的总能量的时候，似乎不能忽略真空本身具有的能量。假如真空能量计算值可以和观测数值相匹配，那么科学家们就有把握认为，宇宙常数的实质就是长期被大家忽略的真空能。

可惜计算出来的数值大相径庭。天文学观测的数值一般误差都很大，能搞对数量级就很不错了。哈勃最开始测量仙女座星系的距离有80万光年，现在我们已经修正到了250万光年。可是真空能和暗能量不属于这种误差量级，不幸的是，多数粒子物理理论预言的真空能比暗能量大了120个数量级。一个数量级代表10倍，120个数量级代表一个大得难以想象的数字。

理想很丰满，现实很骨感。虽然真空能从理论上分析的确很有道理，但是数字完全对不上。量子物理学家们也懵了，虽然量子物理学家们很擅长消除计算中出现的无穷大，但是这回他们没有搞定，多出来的真空能他们怎么也没办法抵消掉。毕竟到现在为止，量子力学和广义相对论都是无法调和的，搞不定才是常态。

不管是哪种理论，暗能量的斥力特性都是必须保留的，处处均匀的特性也应该保留。类似的还有标量场理论，这个理论的外号叫作“第五元素”。

我们在讲暗物质的时候，讲到过修正牛顿动力学。对于暗能量来讲，同样是他们施展的舞台。他们或许只要把某条简单的曲线多扭几个弯就可以和观测匹配得不错。但是他们的理论总是没什么人喜欢，况且我们在讲暗物质的时候，牛顿修正力学理论还遭到了重创。

到现在为止，也没人知道暗能量到底是什么东西。但是科学家们已经公认，宇宙大爆炸开始的一瞬曾经有过暴涨的阶段，膨胀速度极快，似乎那时候宇宙常数特别大。暗能量在空间上处处均匀，似乎是个常数。但是在时间维度上呢？过去的宇宙常数和今天的宇宙常数是一样的吗？总之，关于暗能量的许许多多问题，都依然是宇宙未解之谜。

通过这三节的内容，我把暗能量的来龙去脉大致给你梳理了一遍，你至少搞清楚了科学家们正在研究的暗能量到底是怎么回事。在我们的生活中，这个词经常会被一些搞伪科学的，或者神秘主义爱好者所利用，把暗能量当作许多超自然现象的解释。甚至还有用暗能量来解释神佛鬼怪和灵魂的。你一定要记住一点，暗能量只有在整个宇宙这样的大尺度上才能体现出来，甚至在银河系这样的尺度中，暗能量的效应都几乎观测不到。记住了这一点，你就能有理有据地识别出伪科学了。

还有一点，如果你看完了这一章，觉得很有意思，也想自己研究暗能量，那么，我必须提醒你，要研究暗能量有一个前提，那就是必须要先学习广义相对论，如果没有这个基础，你就永远也不可能取得与同行对话的资格。

最后，我给大家找了一个讲解暗能量的视频，其中特别提到了暗能量和爱因斯坦的联系。如果你有兴趣，在我的微信公众号“科学有故事”中，回复“暗能量”这三个字，就可以观看了。