万维钢 日课217丨暗能量的惆怅
今天咱们继续说尼尔·泰森的《给忙碌者的天体物理学》。上次我们讲了暗物质，今天我们讲天体物理学的另一个谜团，暗能量。
你注意到没有，即使到了今天，宇宙大爆炸理论早已被物理学家广泛接受了，可是有些民间哲学家一说起宇宙来还是“空间上无边无际、时间上无始无终”这两句话。我们传统想象中的宇宙是无限大的，曾经存在过无穷长的时间，并且将永久地存在下去。
然而现在所有证据都表明，宇宙绝对不是这个永恒不变的样子。宇宙有个开始，而且还会有个终结。
这有点违反直觉。一个人、一个房子、一个国家有开始有结束，我们都能理解 —— 但是宇宙是一切事物的总和啊！不管人在不在，组成人的原子总是在的；不过国家有没有，国土总是有的。那宇宙的开始和结束，又从何说起呢？
如果你觉得这不好接受，你不是一个人。
当年，连爱因斯坦都认为宇宙应该是静态。
1.“一生最大错误”
牛顿的万有引力定律是个非常漂亮、也相当精确的理论，但是它有一个本质的缺陷。牛顿引力是一种“超距作用”。这里有个质量很大的物体，你立即就感受到它的引力 —— 可是这个力是怎么传播的呢？连光速都有限，引力信息难道能瞬间到达吗？牛顿自己也意识到了这个问题，但是他没办法。
直到1916年，爱因斯坦提出广义相对论。爱因斯坦说，你可以把引力当成是空间的弯曲。用一句话概括他的思想，就是“物质告诉空间怎么弯曲，空间告诉物质怎么运动。”大质量物体改变它周围空间的弯曲程度，其他物体根据感受到的弯曲空间运动，引力不再是超距作用了，它通过空间传递。
因为引力是一个可传递的东西，广义相对论马上就预言了“引力波”的存在。然后等到2016年，物理学家果然观测到了引力波。
咱们想想这件事吧。十三亿年以前，在距离地球十三亿光年远的地方，有两个黑洞发生了碰撞。这次碰撞带来的引力波，向全宇宙传播。碰撞发生的时候，地球上只有一些最原始的单细胞生物。引力波慢慢传递过来……在此期间，地球上演化出了智人、智人有了文化、爱因斯坦出生，写下了广义相对论的引力场方程……然后一直到2016年，也就是碰撞发生十三亿年以后，我们截获了这个引力波！
广义相对论就这么厉害。所以我冒着吓跑一半读者的风险，想让你看一眼广义相对论的引力场方程。你不需要理解它，但你可以欣赏这个方程的简洁优美。
方程中那个红色希腊字母 Λ ，是一个常数，它所在的那一项本来是没有的。
最初，爱因斯坦用没有 Λ 的场方程对整个宇宙求解，发现这样得出的宇宙会膨胀。他觉得这肯定不对，宇宙应该是静态的，这才加入了 Λ 这一项。在数学上，有没有这一项，引力的性质都一样。Λ 仅仅是为了让宇宙不膨胀而存在，所以被称为“宇宙常数”。
但这个人为的做法有两个缺陷。首先，Λ 的物理意义是什么呢？它代表一种什么力量、又是怎么在宇宙中实现的呢？没人知道。它仅仅是为了得到一个静态的宇宙而存在。
更让物理学家不舒服的是，后来一位苏联数学家作了计算，说你加入一个 Λ 的确能得到一个静态宇宙解，但是这个静态宇宙是个不稳定的平衡。就好像把一个铅笔用笔尖立在桌子上一样，只要有一点扰动它马上就会倒下。那这样的静态宇宙又有多大意义，宇宙到底应该是什么样的呢？
2.哈勃改变了世界观
到了1929年，美国天文学家哈勃迎来一个改变世界观的时刻。当时哈勃对银河系以外那些广阔空间中的星系，做了一个系统性的观测。他发现，星系发出的光的光谱，有一个往红端的移动。
这就是所谓“红移”，也就是频率都变小了一些。这种现象我们在生活中也能遇到。波动都是这样的，当这个物体向你跑过来的时候，它的频率会增加；当这个物体离你而去的时候，他的频率会减少。比如一个火车鸣笛，如果是火车面向你开过来，你会觉得鸣笛声音更尖锐一点；如果是火车是离你而去，你会觉得鸣笛声音更低沉。
那星系光谱的红移就只能说明一个问题：所有这些远方的星系，都在离我们而去。而且通过精确测量各个星系光谱红移的程度，哈勃还发现，这些星系离我们而去的速度，和它们到我们的距离成正比。
这就好比说你站在一个大广场上，你发现周围所有人都在离你而去，而且距离你越远的人，跑得越快！
哈勃发现的，就是宇宙正在膨胀。
你可能马上就有一个问题：不同方向的星系都离我们而去，那地球岂不是成了宇宙的中心吗？不是。你可以想象空间是弯曲的。拿二维空间类比，这就好像我们都站在一个气球的表面上，气球不断膨胀的过程中，对气球上任何一点来说，其他的点都在离他而去，而且距离越远跑得越快。
既然宇宙正在膨胀，那我们马上就知道，以前的宇宙肯定没有这么大。那么逆推回去 —— 宇宙就一定有一个开始。这就是大爆炸理论的起源。
咱们可以想象爱因斯坦得知了哈勃的观测之后是个什么心情！他本来已经算出来宇宙应该膨胀了！是为了让宇宙不膨胀，才自作聪明地加了宇宙常数那一项，结果错过了对宇宙膨胀的理论预测。
爱因斯坦发了一条朋友圈，说这是我一生最大的错误。
好了，现在既然知道宇宙是膨胀的，爱因斯坦就放心地把宇宙常数 Λ 那一项去掉，引力场方程变得更简单了 ——
方程预言了宇宙膨胀，宇宙也的确在膨胀，一切都和谐了。
谁能想到，爱因斯坦死后43年，天文学家的世界观又改变了一次。
3.空间的膨胀
我先来解释一下，“宇宙膨胀”到底是什么意思。宇宙大爆炸和寻常一颗炸弹的爆炸可不一样，大爆炸带来的膨胀，是空间本身的膨胀。广义相对论认为“空间”并不是一片虚空，而是一个可以传播引力、可以变形可以弯曲的实实在在的东西。
在宇宙起源之前，时空根本不存在。大爆炸以后空间膨胀了，日月星辰才有了在其中玩耍的场所。我们可以把空间想象成一张实实在在的网 —— 所有东西都是放在这张网上，而网本身可以变大。
我们知道，物理定律要求是任何东西的移动速度不能超过光速 —— 但是请注意，这说的是物体在空间中的移动，可不是空间本身的移动。
事实上，宇宙膨胀的速度可以超过光速。在大爆炸刚开始的时候，早期的宇宙的膨胀速度到处都超过光速。而在现在，那些距离我们特别特别遥远的星系，他们的离我们而去速度也是超光速的。
这就意味着，存在很多星系，因为它们距离我们太远，膨胀的速度超过光速，我们不可能看到它们。它们那里不管发生什么，我们都无法知道。女朋友坐飞机走了，飞机上总还能打个卫星电话 —— 可是如果女朋友跑的比光速还快，你就再也没办法跟她取得联络了。
难道说，我们将孤独地跟可见的这些星系生活在这里。
但是也不一定。别忘了在引力作用下，星系之间还有个互相吸引的作用，这也是一个把空间往回拉的力量。那么在引力作用下，我们设想，宇宙膨胀的速度应该是越来越慢的 —— 就好像你往天上扔一个球，球上升的速度肯定是越来越慢，而且可能还会回来。
对吧？
4.黑暗的能量
爱因斯坦死后43年，也就是1998年的时候，有两组天文学家，想测量一下现在宇宙的膨胀速度已经减慢到了什么程度。
他们有一些特别好的观测目标，叫 “Ia 型超新星”。这种超新星也是宇宙送给天文学家的礼物。最初这是一种双星系统，其中一颗星是白矮星。白矮星不断吸收临近这颗星的质量，等到自己的质量增长到相当于我们的太阳质量的1.44倍的时候，它就会突然爆发，变成超新星。
这种超新星的引爆质量永远一样，它的亮度也永远一样。这样天文学家一看 Ia 型超新星到达地球的亮度，就能精确知道它们距离地球有多远。
与此同时，根据光谱的分析，看看红移情况，天文学家还可以用另外一个方法计算超新星的距离，这个计算中就包括了理论模型中宇宙膨胀的历史。对比一下两个距离的差距，就知道现在膨胀速度减慢了多少。
结果天文学家惊掉了下巴。
用超新星亮度算的实际距离，比用宇宙膨胀历史算的距离长了15%。这就意味着，宇宙膨胀不但没有减速，而且还加速了！
这个发现实在毁三观，但是历经检验确认无疑，最后三个科学家因此获得2011年诺贝尔奖。
物理学家就只好再把宇宙常数放回到爱因斯坦场方程中去，只不过这回 Λ 的数值得改，变成让宇宙加速膨胀。
那问题就又回来了， Λ 到底有什么物理意义呢？物理学家现在解释不了，只好沿袭“暗物质”的命名传统，称之为“暗能量”。
现在更进一步的估算，我们这个宇宙现在的全部能量之中，寻常的物质只占大约4%，暗物质占26%，暗能量占70%。
暗能量提供了一种真空中的斥力，但是它到底是什么样的底层物理机制，我们完全不知道。有人猜测这是不是量子力学的真空能，结果一计算发现结果差了10^120倍，太过荒诞了。如同寻找暗物质一样，物理学家正在想方设法寻找暗能量。
| 由此得到
过去三十年中，物理学最惊人的一个发现就是宇宙正在加速膨胀。把宇宙常数放回到爱因斯坦场方程中，可以让宇宙加速膨胀，但是这个宇宙常数到底有什么物理意义，物理学家一无所知。暗能量和暗物质到底是什么，是两个谜。
| 禅定时刻
暗能量是真空中的能量。宇宙越膨胀，真空越大，暗能量就越大。现在物理学家知道，在50亿年以前，暗能量的比例达到一定数值，宇宙就已经开始加速膨胀了。
而随着空间越来越大，暗能量越来越多，宇宙膨胀的加速度也会越来越大。这就意味着远方的星系是以越来越快的速度离我们而去，不可能再回头。
物理学家计算，再过一万亿年，除了银河系以外，我们的天空中将会再也看不到其他的星星。
如果我们这个文明不能把现在关于宇宙的知识流传到那个时候，如果那时候还有智慧生命的话，那时的天文学家将会认为宇宙里就只有一个银河系。他们的宇宙观会跟我们很不一样，他们将无从知道宇宙里其实有那么多星系！
因为缺少关键信息，他们永远都想不到宇宙曾经有过这样的历史。
但是还有更可怕的。泰森说他做了一个噩梦。如果说一万亿年以后的人缺少关键信息，那么我们这一代人，是不是也缺少了某些关键信息，以至于有关这个宇宙，有些东西是我们永远都不能理解的呢？
要知道，这个宇宙根本没有义务让你理解。
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