暗能量有多奇異？就是它讓宇宙加速膨脹

與宇宙相比，地球與人類是如此的渺小。在宇宙經歷大爆炸之後，科學家們發現宇宙處於加速膨脹的狀態，宇宙當中可能含有大量的暗能量。暗能量是什麼？宇宙加速膨脹會導致什麼結果？太陽系最後也會在膨脹中化為烏有嗎？人類會隨之而灰飛煙滅嗎……科學家們是如何探測和研究神秘而遙遠的宇宙的？

出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）

以下內容為中國科學院國家天文臺研究員、宇宙暗物質與暗能量研究團組首席科學家陳學雷演講實錄：

宇宙是怎樣開始的呢？有的朋友說，宇宙開始於一個大爆炸。

這是上個世紀一些科學家提出來的一種大膽猜想，後來這種理論被觀測證實了。

宇宙大爆炸的過程

既然宇宙開始於大爆炸，那麼它有沒有結束？未來是什麼樣子呢？

其實提出宇宙大爆炸理論的這些科學家也做了一些預言，他們假定宇宙中充滿了各種物質，然後使用愛因斯坦的廣義相對論去預測宇宙的命運。

大家可以看到左面展示的是大爆炸的過程，而右面的這幅圖上展示的是對未來的預測。

宇宙經過大爆炸以後，它就處在膨脹中，由於物質萬有引力的作用，它會使膨脹慢慢變慢，變慢以後會怎麼樣呢？

這就取決於這裡面物質的多少，和一開始膨脹的速度之間的關係。

如果這個膨脹的速度一開始不是那麼大，而物質很多，那麼造成的結果就是它膨脹到一定程度以後，膨脹就會慢慢地減速，最後減到一定程度，很可能就停止了膨脹。

然後又開始收縮，收縮到一定程度以後，最後就進入了一個「大塌縮」的狀態。

大塌縮之後宇宙會變成什麼樣子?

目前並不知道，因為到那個時候，所有的能量和密度都太高了，現在的理論都無法描述。

如果宇宙一開始的時候膨脹速度比較快，而這個物質並沒有那麼多，它也會使宇宙的膨脹減速，但是減速可能不足以使它停下來，這樣的話宇宙就會一直的膨脹下去。

也就是這幅圖裡右邊的兩種圖景——它一直膨脹，但是減慢的速度可能沒有那麼明顯。

這就是過去，大家對宇宙的未來的認識，那是不是這樣子呢？到底這幾種情況哪一種是對的呢？

測量宇宙膨脹速度的方法

在上個世紀的八十年代，有一些科學家想要解決這個問題，但是都面臨一個很大的困難，就是我們怎麼才能判斷到底是哪一種情況呢？

這個辦法就是測量不同時刻宇宙膨脹的速度。

左邊這幅圖上展示的是日常生活當中很常見的測量速度的方法。

宇宙學當中的這個情況略有不同，但道理是一樣的，就是測量宇宙中的不同時刻，它膨脹到底有多快，然後看看它的速度是怎麼變化的。

當然宇宙學當中一個很大的問題在於，我們並不知道怎麼樣測量這個距離。

自古以來，想要了解天體的距離就是非常困難的。

比如說，我們國家有一個著名的寓言，據說孔子遇到了兩個小孩在辯論：

太陽到底是在早晨的時候離我們近一些，還是在中午的時候離我們近一些？

兩個小孩都提出了一些很好的論據，孔子就沒有辦法決定了，這就是所謂「兩小兒辯日」的故事。

實際上想要測量像太陽這樣一個離我們比較近的天體的距離，並不是那麼容易，要測量更遠處的天體，當然就更難一些。

但是科學家還是提出了一些方法。一種辦法就是通過所謂「標準燭光」來測量距離。

什麼叫標準燭光呢？

在19世紀的時候，人們為了研究光學，發明了一種比較標準的蠟燭，這些蠟燭點出來以後，光的亮度都是一樣的。

把它放在不同的距離上，可以看到，越遠的蠟燭看上去越暗一些，這就是標準燭光的作用。

就是我們知道它的絕對發光亮度，又可以測出它看上去有多亮，根據這兩者之間進行比較，就可以知道天體到底有多遠了。

問題在於我們有沒有這樣的蠟燭呢？

科學家們找到了一種這樣的「蠟燭」，這個「蠟燭「就是Ia型的超新星。

什麼是超新星呢？

天空中的星星，有一些暗，有一些亮，亮的大多是離太陽系比較近的一些恆星。

有時這些恆星會突然發生爆炸——爆炸往往是因為到了它的壽命尾期，或者由於它的核心塌縮，或者是由於吸積了別的物質。

在宋朝的1054年，大家突然發現白天裡出現了一顆星，非常非常亮，在白天都可以清楚地看到。

這顆星就是著名的1054年超新星，它遺留下來的爆炸痕跡今天還可以在天空中看到，就是所謂的蟹狀星雲。

這顆超新星的爆炸亮度最大的時候，可以達到太陽亮度的100億倍。

上圖的右邊，就可以看到，一個星系中一顆超新星爆發以後，它非常非常亮。

雖然它這麼亮，但是要在宇宙的距離上看到它，還是很困難的。我們需要在非常遠的地方找到這樣的超新星。

天文學家在漫天星鬥中尋找這種超新星，可能就是有一個地方稍微亮了一點兒，亮的那一點兒實際上就是個超新星。

超新星有不同的種類。

其中有一種超新星叫做Ia型的超新星，它的亮度經過一些修正後，可以作為一種標準燭光，並且可以拿它來確定距離。

在20年前，當時國際上有兩個相互競爭的科學家團隊，這兩個團隊有一個驚人的發現。

他們當時本來是想要測量宇宙到底是持續地膨脹下去，還是到一定程度以後會減速最後轉成收縮，結果他們發現這兩種情況都不對。

他們發現的是什麼結果呢？

宇宙膨脹是在加速，越脹越快。

這項結果轟動了全球，其中貢獻最大的幾位科學家也獲得了諾貝爾物理學獎。

宇宙中的暗物質

這就給我們提出了一個問題，就是為什麼宇宙膨脹越來越快？原來這些大爆炸的提出者的預言錯了嗎？

科學家們進一步提出了各種理論，最終得到了一個結論，就是宇宙當中可能含有大量的暗能量。

現在組成宇宙的普通物質只佔我們這個宇宙的5%左右，剩下的95%以上的，很可能都是一些我們不知道的物質，其中有百分之二十多是所謂的暗物質。

雖然暗物質不發光，我們看不到它，但是根據它的引力可以推測，它在星系或者星系團中大量存在，佔這個宇宙的百分之二十多。

它的性質還算不難理解，它畢竟是產生萬有引力的。

而這個暗能量，它的性質就非常奇異。

它的效應是使得宇宙的膨脹加速，也就是說相當於某種萬有斥力一樣，這是一種很神奇的東西。

正因為它這種神奇，我們給它起了個名字叫做「暗能量」，但是它到底是什麼？我們其實並不知道。

有了暗能量以後，宇宙的命運就會發生很大的變化。

就是它不但在膨脹，而且膨脹得越來越快。

這樣的一個宇宙會出現什麼情況呢？

上圖就展示了一種可能性，就是我們現在的星系周圍還有很多別的星系。

但是宇宙這樣膨脹下去，而且越脹越快，別的星系就會越來越少，因為它們都被膨脹到遠處去了。

經過900多億年以後，很可能最後就剩下我們自己孤零零地在這裡，周圍什麼星系也看不見了。

我們這個宇宙可能就會在永恆的孤寂當中結束，就是永遠待在這裡，但是這也只是一種可能性。

因為我們並不知道暗能量到底是什麼，所以它也存在著別的可能性。

有可能暗能量會越來越多。

如果越來越多的話，它甚至很可能不光是把別的星系都脹到遠處。

而是我們自己的這個星系最後沒準也會被拉散開，甚至地球會被拉散開，我們的原子會被拉散開，這種就叫做「大撕裂」，這是一種可能性。

在這種情況下，宇宙到底會變成什麼樣子？我們又不知道了。

還有一種可能就是說，這個暗能量現在在驅動宇宙加速膨脹，但也許在未來某一天，它又反過來會使宇宙收縮，也有這種可能性。

所以這些可能性都是存在的，只有解開宇宙的暗能量之謎，才能夠回答宇宙的命運是什麼。

但是怎麼解開這個謎呢？

首先我們需要對它有一個很精確的測量，提供給搞理論研究的人去分析。

實際上這個理論的研究者很多。目前的暗能量理論大概有幾百種，這些理論都有一些理論上的出發點，但是都沒有充足的證據。

所以我們需要觀測去解決這個問題。

但是超新星的觀測是不是就足夠了呢？

其實有很多科學家對這個理論也是質疑的，就是說超新星是一種標準燭光，它爆炸的時候都是同樣的亮度。

或者不是同樣的亮度，但是修正一下可以當做同樣的亮度。

但是，也許我們對超新星的認識是不完全的，也許存在著一些奇異的超新星，使我們誤解了它。

有沒有這種可能性呢？有這種可能性。

我們的辦法就是用儘可能多的方式去測量它。

其中一種辦法就是用宇宙大爆炸時候產生的聲波振蕩來測量，聲波振蕩為什麼能用來測量這個東西呢？

上圖左邊有一個水塘，在雨天裡落下來雨滴，你會發現上面有很多圓形的波紋，顯然波紋是雨滴打到水上激起的，仔細看的話，這些波紋有大有小。為什麼會有大有小呢？

因為雨滴落進去的時刻是不一樣的。

但是假如一桶水潑到這個湖面上，你會發現所有的水都是同一個時刻落在水上，它激起的波也是同樣的，這樣的話，所有的圓環都是同樣大小的。

這個同樣大小的圓環，如果混在一起，可能我們肉眼就已經不好分辨它了。

如果我們有一種數學的方法去對它進行分析，我們還是可以看出來這些圓環到底已經膨脹多大了。

用這種辦法，我們提供了一種新的尺子，就是宇宙距離的「標準尺」來測量宇宙，這是另一種測量距離的方法，可以去檢驗甚至更精密地測量暗能量到底是什麼東西。

可能大家會問，我們宇宙中的「水」是什麼呢？

水在這個情況下就是星系的分布。

上面這幅圖裡，我們相當於站在中心,向周圍遠方望去,宇宙中存在著大量的星系。

圖中每一個點，無論是桔色的點，還是綠色的點，實際上都代表一個星系。

這些星系分布的狀態，如果仔細看，它其實是不規則的。

但是它好像又暗含著某種規則，就是它看上去像是一些纖維狀的結構，但是我們看不出來有什麼特殊之處。

如果把它分解成不同波長的話，你會發現它整體上、在比較大的尺度上（上圖左側），它比較高；在小的尺度上（上圖右側），它又會降下去。

降下去的過程中，它有一些振蕩的痕跡。

如果我把整個降下去這部分去掉，你會看到中間的小插圖裡有振蕩的痕跡。

這個振蕩的尺度，就告訴我們宇宙不同的距離尺度，用它我們就可以了解宇宙距離是多少，是怎麼樣膨脹的。

用這種方法得到上圖，其中灰色的線代表的是原來用超新星做的觀測，藍色的線代表的是用這種方法測到的觀測。

大家會發現藍色線都在這個灰色的上面，這都是幾年以前的一次觀測，數據也在不斷地變化。

但是超新星和用這種聲波振蕩的方法測出來的距離，並不完全一致。

這種不完全一致到底僅僅是誤差造成的，還是說有什麼更深刻的意義？

現在還不了解，還需要更精確地進行觀測。

國際上把暗能量作為當前一個很重大的科學問題，有很多很多實驗去測量它。

包括未來發射的衛星，比如歐幾裡得衛星、WFIRST衛星，也包括升級一些地面的大型望遠鏡去進行觀測等，但是這些觀測大部分都是在光學波段的。

這樣的話也有一個問題，我們看不到暗能量，做的這些觀測都是有很多假定的。

那麼光學觀測看到的都是同樣的恆星，會不會又有一些我們不了解的效應在欺騙我們呢？

射電觀測，也就是無線電觀測，提供了另外一種視角。

上圖展示的是光學看到的星系（左）和用射電波段看到的同一個星系（右）。

在無線電波段，或者叫射電波段，我們能看到什麼呢？

其實這個宇宙中，最多的一種元素——不是在暗物質和暗能量中——在普通的物質中最多的一種元素是氫，因為氫元素在宇宙大爆炸中就形成了。

這個氫元素會產生一種波長為21釐米的輻射，波長21釐米實際上就是一種微波，這種微波輻射是可以被探測到的。

如果去測量這個輻射的強度，就會看到這個星系裡頭的中性氫，或者說氫原子是怎麼樣分布的。

這裡展示了一個星系裡的氫原子，希望提出用一種新的方法，也就是微波或者是無線電的方法，去進行這樣的觀測。

當然這個觀測難度也是很大的。左邊這個圖展示的是美國的Arecibo望遠鏡，它的口徑是300米，在之前幾十年的時間裡，它都是世界第一的射電望遠鏡。

它觀測到的右圖，可以看到有很多藍點是光學觀測的，而紅點是無線電觀測的。

大家會發現紅點少很多，而且距離也不是很遠，實際上就是說它的靈敏度相對光學來說還是差一些。

那有了更好的望遠鏡是不是就能夠看得更遠呢？我們國家建成了世界最大的單天線望遠鏡FAST。

FAST的設計師南仁東先生已經去世了。

2006年，南仁東先生提出要研製FAST，他也建議用FAST去做宇宙學的研究。

FAST雖然靈敏度提高了，但是看的距離還是有限的。

而且，FAST雖然已經很大了，但是如果要去看星系的話，還是看不太清楚，看不太清楚的話會不會有影響呢？

後來再仔細想了一下，發現問題也不大。

上圖每一個點代表一個星系，我們去看整個星系的話，如果我們的解析度不夠，就看不出來單個的星系，它們都混在一起了，就成了下面那個圖。

雖然看不見單個的星系，但能看到它們整個是怎麼樣分布的，用這種方法還可以進一步提高靈敏度，看到更遠的宇宙。

天籟計劃

而且，除了FAST本身可以做這方面的研究以外，研製專門的望遠鏡，也許用更小成本就可以實現更好的探測。

這樣就提出了「天籟計劃」。

這時候國外也有很多人提出了同樣的想法，所以組成了「天籟聯盟」。

「天籟」這個詞來自莊子，他在《齊物論》中提到「天籟、地籟、人籟」。

「地籟」，像風颳過山谷的聲音。

「人籟」，像人吹奏樂器的聲音。

天籟是什麼呢？

「天籟」是一種宇宙的韻律。想要探測宇宙大爆炸產生的聲音，然後用它去理解暗能量到底是一種什麼東西。

到目前為止，全世界有好多個實驗在做宇宙距離上的中性氫，但誰也沒有能夠做到。

為什麼呢？

因為如果你去看宇宙遠處的中性氫，就像我們左邊這個圖最後的那個中性氫產生的信號。

在它前面疊加著一個很強的亮光，這個很強的亮光來自銀河系，也就是右邊圖上展示的銀河系的前景。

銀河系前景輻射，比21釐米的信號大概強10萬倍左右。

所以我們要想看到這個21釐米信號，就好像我們白天想要看到星星一樣。

星星在那裡，但是它淹沒在大氣散射的陽光中了。

必須用非常精密的手段，把這個東西減掉，才能看到這個信號。那麼能不能減掉呢？

幸運的是，大自然還是給了我們一個機會。

因為銀河系產生的這種同步輻射，或者說前景輻射，它是一種頻譜很光滑的東西，看上去很平滑，是一條直線，或者是稍微有點兒彎曲的光滑的曲線。

把這個東西減掉以後，就會展現出氫原子的分布，造成21釐米輻射強度的變化。

所以原則上這是可以做到的，但是它需要非常精密的儀器和複雜的數據處理手段。

從2012年得到了立項支持以後，展開相關研究，在興隆、內蒙古架設小型的天線進行這方面的實驗。

我們還需要選一個最好的站址，因為天文產生的射電信號是非常微弱的，而地面上的像雷達、電視、手機等都會產生很強的幹擾信號，我們必須避開這些幹擾信號。

怎麼樣才能找到這種幹擾信號最少的地方呢？

當然人煙越稀少產生的信號就越會少，最好周圍有一些山遮擋一下。

但是，要是跑到一個無人區的地方，或者是海島上，也有一個問題，就是還需要提供電力、通訊、道路等等，這是一個綜合問題。

我們在全國選了大量的站址，跑了一百多處地方。從站址分布中大家可以看到，有很多分布在內蒙古。

我們一開始想在內蒙古找，原因就在於內蒙古離北京很近，對我們做實驗是比較方便的。

但遺憾的是，後來我們發現內蒙古雖然人比較稀少，但地形太平了，一望無際的大草原，電波都可以傳過來，所以幹擾還是很嚴重的。

這個圖是在FAST望遠鏡的周邊，我們也做過選址，大家可以看到那些綠色的，是我們通過遙感地圖找出來的一些小平地。

另外我們也去選了青海、西藏和新疆的很多地方。

我們當時跑這些地方很辛苦，但是也很有意思，見到了很多平時不容易見到的情況。

貴州平塘建設FAST的地方，我們最終還是放棄了，原因在於這個地方它的山很陡，非常非常陡。

我們可以帶著設備走到裡頭，裡邊也有平地，但是車要翻過這個山就比較困難了，需要專門炸山修路。

這對於FAST這樣很大的望遠鏡來說是可以的，但對於我們一開始做的這種小實驗來說，成本太高，周期太長，我們就放棄了。

最後我們去了新疆，我們在新疆也跑了好幾十個點。

這是最後我們找到的新疆的巴裡坤，它位於新疆的東部，是絲綢之路上的一個小城。

大家有機會可以去瞧一瞧，非常美麗，在這個城的旁邊就是雪山，也有漢代和唐代遺留下來的這種「烽燧」。

這個地方條件很艱苦，但是好處在於人煙確實比較稀少。

我們最後選站的站址離剛才說的那個小城還有160公裡，人非常少，偶爾會碰上一些牧民和駱駝、羊。

我們在當地進行了建設，在建設的過程中，很多同事和同學們付出了艱苦的努力。

圖中展示的是我們在安裝天線。冬季如果降雪，做這個工作也很困難，當時我們的幾位同事步行幾公裡，進入這個地方去進行維修和測試。

右下看上去穿著打扮像民工的這位，是我們組的吳鋒泉副研究員，他寫過很多論文。同時他還是一個多面手，能開鏟車，也能修得了鏟車，還能給我們搭建各種東西。

當時進去做維修很困難，他就自己帶幾個饢進去。夏天我們場地裡有一些野生的沙蔥，他就拔幾根沙蔥用水洗一下，就著饢吃。

我感到非常欣慰的是，我們的同事和同學們沒有計較自己的付出，而是一起齊心協力把這個建成了。

這就是我們現在建成的望遠鏡陣列——天籟陣列。

前面一些圓形的我們叫碟形陣，後面是所謂的柱形陣。

對於這兩種陣，大家可能會疑問，為什麼要弄出兩種來？其實現在也有一些爭論，到底哪一種更有優勢？我們通過比較來了解。

這個是柱形陣的另外一張照片。

這是我們的站房，在冬天那地方還是比較冷的。

我們在去年首次實現了初光的觀測。

大家可以看到，右邊就是我們用初光觀測產生的天圖，左邊對應的是其它望遠鏡之前測到的天圖。我們現在只是一次初步的測試，所以這還是一個不太靈敏的結果。

大家會看到，左邊天圖上的一些東西，右邊也都看到了，但是右邊還有一些左邊沒有的。

這當中有的是像移動的源，比如說像太陽造成的，也有的是初步結果裡的一些假象，通過進一步的數學處理可以把它去掉。

我們下一步就要研究怎麼把它處理掉，獲得更好的圖像。

如果最後我們取得成功的話，就要把這個陣列擴展出來去做整個的觀測。

如果成功的話，我們會非常好地限制暗能量模型，甚至有可能探測到暗能量到底是不是隨著宇宙的膨脹在變化。

為什麼要去做天籟實驗呢？

其實這個實驗是有爭議的，有很多人不一定完全贊同我的觀點，但是我為什麼要去做這個試驗呢？能發表更多的論文嗎？

其實不是，因為原來我做理論的時候，只要動動腦子很快就可以寫出論文，而這個是要花很多時間去進行實驗的工作。

更容易出成果嗎？

當然也不是，這個工作實際上全世界目前都還沒有成功，大家都在探索。

能保證取得成功嗎？

我們不敢保證，因為有一些21釐米的實驗已經進行十多年了，現在也還沒有任何結果出來。

我們現在去嘗試這個東西，並不知道什麼時間能夠取得成功。但是我為什麼要去做它呢？

因為我覺得非常幸運，它給了我一個探索宇宙和發現新事物的機會。

兩年前，人們第一次看到了引力波，轟動了全球。

但是引力波提出了以後，經過了近百年的嘗試。

從六十年代大家就開始去做實驗，一直到現在，經過幾十年的多少代人的嘗試，才最終實現了這樣的探測。

實際上我原來還認為很可能我們的實驗會比引力波先成功，但現在引力波已經成功了，我們還沒有成功，但是我相信，遲早有一天我們也會取得成功的！

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