在宇宙尺度上，不論物質(zhì)、反物質(zhì)還是暗物質(zhì)，引力相互作用起主要作用。而目前人類已知的存在，都不可能讓整個宇宙加速膨脹。為了解釋宇宙的加速膨脹，物理家們引入了Dark Energy——暗能量。目前所有觀測結(jié)果都顯示宇宙正在加速膨脹，甚至發(fā)現(xiàn)50億年前就開始加速了。

暗能量是造成宇宙膨脹的原因。“暗能量”，聽起來似幽靈般的力，而實(shí)際上它跟愛因斯坦在1917年引入到引力理論中的宇宙常數(shù) Λ 有關(guān)。愛因斯坦一度認(rèn)為這是他最大的錯誤，但現(xiàn)在科學(xué)家們不得不將 Λ 放回理論中，以此來符合實(shí)際天文學(xué)的觀測。這是一段很有意思的科學(xué)史，感興趣的讀者可以了解下宇宙學(xué)常數(shù)的前世今生。

通過量子理論也能得出宇宙學(xué)常數(shù) Λ 的存在，但其值卻與我們所需要的相去甚遠(yuǎn)。如何找到一種方法將 Λ 的量子理論預(yù)測值與從膨脹宇宙中觀測到的 Λ 值統(tǒng)一起來，將是一個偉大的發(fā)現(xiàn)。

2019年諾貝爾物理學(xué)獎得主詹姆斯·皮布爾斯（James Peebles）認(rèn)為：即使是最復(fù)雜的理論，也會受到實(shí)際觀測結(jié)果的限制，當(dāng)下的觀測證據(jù)總是不完美和不完整的，因此我們的理論永遠(yuǎn)是一種近似，而不是對最終現(xiàn)實(shí)的解釋。

撰文 | 詹姆斯·皮布爾斯

編譯 | 劉航

當(dāng)我們解釋宇宙如何從熱的致密狀態(tài)開始膨脹，所謂的標(biāo)準(zhǔn)理論中需要愛因斯坦宇宙學(xué)常數(shù)的存在，該值常用希臘字母 Λ 來表示。而現(xiàn)在 Λ 也被普遍認(rèn)為是暗能量的標(biāo)志?；蛟S名稱的變化是一種改進(jìn)，但其實(shí)也沒有改變什么。我們久經(jīng)考驗(yàn)的宇宙膨脹理論確實(shí)需要一些類似 Λ 的東西參與，但我們?nèi)匀徊恢肋@個 Λ 如何符合我們的標(biāo)準(zhǔn)物理學(xué)。

上世紀(jì)30年代，量子場論自然地預(yù)測了存在宇宙學(xué)常數(shù) Λ ，但預(yù)測值卻是一個極大的值[1]，甚至大的離譜。90年代以前，當(dāng)我們對宇宙如何演化知之甚少，沒有那么多觀測證據(jù)時，我們可能傾向于說，Λ 的量子估計“顯然”是錯誤的，唯一自然的選擇是 Λ 為零。愛因斯坦可能會贊同這個充滿希望的觀點(diǎn)，他后悔將Λ這一術(shù)語添加到他的引力理論——廣義相對論中。但到現(xiàn)在，積累的觀測結(jié)果已經(jīng)足夠提出一個令人信服的理由——我們必須學(xué)會與 Λ，即暗能量共存。

這里我不會一一列舉實(shí)驗(yàn)來證明暗能量的存在。我對這些證據(jù)的看法，及這些證據(jù)是如何符合物理學(xué)家的自然科學(xué)理念，都在我的書The Whole Truth（《全部真相》）[2]中。我要強(qiáng)調(diào)的是，正確的表述方式應(yīng)該是：實(shí)驗(yàn)觀測提供了一個有說服力的案例，即包含了暗能量的宇宙膨脹標(biāo)準(zhǔn)理論是對現(xiàn)實(shí)的有效近似。其中修飾詞——近似，是必需的，因?yàn)槔碚摰淖罱K判斷取決于實(shí)驗(yàn)觀測。一個理論成功的關(guān)鍵是其對未知事物的預(yù)測。在自然科學(xué)中，我們有大量這樣的成功案例。所有實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性都有限，因此這些理論至多能被認(rèn)為是對現(xiàn)實(shí)的近似。有些確實(shí)很成功，但它們在我的理念中只是近似。

最好的理論具有極其出色的預(yù)測性。比如，麥克斯韋在一個半世紀(jì)前提出的經(jīng)典電磁學(xué)理論。該理論指導(dǎo)人們設(shè)計了能量傳輸線，把機(jī)械能或太陽能轉(zhuǎn)換成的電磁能，傳輸很遠(yuǎn)的距離，并將其分配給家庭和工業(yè)。同樣的理論也指導(dǎo)了為你家中安裝電線的電工，冰箱得以制冷、燈光照亮黑暗，當(dāng)然也提供了讓手機(jī)運(yùn)行的涓涓電流。

當(dāng)你聽到關(guān)于膨脹宇宙的性質(zhì)的理論與觀測之間存在不一致時，應(yīng)該仔細(xì)思考和分辨。

麥克斯韋的理論用于日常生活時中效果拔群，但研究原子性質(zhì)時卻失敗了。也就是說，經(jīng)典的電磁學(xué)只是一種近似；它是量子電動力學(xué)理論的極限情況，量子電動力學(xué)理論通過了更苛刻的測試。但更進(jìn)一步，量子電動力學(xué)是量子電弱理論的一個極限情況，而后者又是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的一部分。粒子物理學(xué)家認(rèn)為將電磁相互作用與弱相互作用統(tǒng)一起來能更好的描述我們的世界。（在隨后的50年中電弱標(biāo)準(zhǔn)模型經(jīng)受住了無數(shù)實(shí)驗(yàn)的考驗(yàn)，成為繼相對論和量子力學(xué)后最成功的理論之一。）

我舉這些例子是為了說明，為什么當(dāng)你聽說關(guān)于膨脹宇宙的性質(zhì)的理論和觀察之間存在不一致時，你應(yīng)該仔細(xì)思考和分辨。實(shí)驗(yàn)測試真的很困難，即使非常小心，錯誤還是會悄悄出現(xiàn)。這種時候你應(yīng)該稍微等一下，直到聽到嚴(yán)格的評估及其他獨(dú)立實(shí)驗(yàn)給出的結(jié)論——證實(shí)或證偽。如果實(shí)驗(yàn)與理論的差異得到證實(shí)，請記住，雖然相關(guān)理論已經(jīng)相當(dāng)成功，但并不完美。真正的不一致指出了理論需要改進(jìn)的地方。當(dāng)然我們不能保證一定能有補(bǔ)救的方法，但有很多成功的例子——電磁學(xué)的發(fā)展就是其中之一。因此，這種情況再次發(fā)生的可能性很大，從而產(chǎn)生更好的暗能量理論。

進(jìn)一步來看我們的暗能量理論，量子物理學(xué)預(yù)測了 Λ 的存在，這使情況變得更加復(fù)雜，也有趣了?？紤]如下的情況，已冷卻到其最低能量狀態(tài)的單個分子包含了量子力學(xué)零點(diǎn)能，這種能量是真實(shí)存在的。如果要將分子拉開，必須要把真空能考慮進(jìn)去才能做出正確的量子預(yù)測。這在1930年就已經(jīng)在理論上被理解了，且被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。同樣，量子理論預(yù)測有電磁零點(diǎn)能，并且其表現(xiàn)類似于宇宙學(xué)常數(shù) Λ，只是Λ 的預(yù)測值太大[3]。正如我上面所說，我們的宇宙膨脹理論是成功的，但卻是近似的。通過解釋 Λ 的量子預(yù)測如何與膨脹宇宙理論的 Λ 相協(xié)調(diào)，使近似更成功，這是物理學(xué)取得重大進(jìn)展的絕佳機(jī)會。

一個比較流行的觀點(diǎn)是，Λ 的數(shù)值隨著宇宙的膨脹而變化。在宇宙膨脹的早期，Λ 的值可能很大，正如量子物理學(xué)所預(yù)測的那樣，也正符合宇宙暴脹理論的要求。也許隨著宇宙的膨脹，Λ 的值一點(diǎn)點(diǎn)朝著它唯一的“自然”值——零——下降。之所以現(xiàn)在 Λ 很小，是因?yàn)?Λ 已經(jīng)遞減了很長時間，只是還沒有達(dá)到零值。這個想法是可以被檢驗(yàn)的，而目前的結(jié)果顯示 Λ 與恒定值的假設(shè)一致。不過，我們可以嘗試改進(jìn)測試方法。如果能發(fā)現(xiàn)令人信服的暗能量不斷變化的證據(jù)，這將是一個革命性的發(fā)現(xiàn)。因?yàn)樗隙〞o我們提示，讓我們知道如何改進(jìn)我們的物理理論以允許不斷變化的 Λ 存在。

對暗能量稱呼的變化體現(xiàn)了科學(xué)家對其觀點(diǎn)的變化。大約在 1998 年，邁克爾·特納 (Michael Turner) 發(fā)明了 Λ（暗能量）的名稱，他當(dāng)時在芝加哥大學(xué)工作。巴拉特·拉特拉（Bharat Ratra） 和我在上世紀(jì) 80 年代后期提出了 Λ 是不斷變化的想法。拉特拉那時和我一起在新澤西州的普林斯頓大學(xué)，他現(xiàn)在在堪薩斯州立大學(xué)。我們在普林斯頓的同事保羅·斯坦哈特 (Paul Steinhardt) 給這個想法取了一個優(yōu)雅的名字——quintessence（精質(zhì)），并對相關(guān)理論做出了重要貢獻(xiàn)。Quintessence 被廣泛的討論，可能你明天打開手機(jī)，或者我打開報紙，就會讀到一些Quintessence已被檢測到之類的內(nèi)容。像往常一樣，我建議在沒有得到嚴(yán)格的檢驗(yàn)和評斷之前，不要對任何有趣的發(fā)展做出判斷。

你肯定會想到標(biāo)準(zhǔn)理論中的另一個暗成分——暗物質(zhì)。1982 年時，我引入它是為了讓膨脹的宇宙理論更符合我們當(dāng)時所觀測到的結(jié)果。物理學(xué)家對這個想法的熱情超出了我的預(yù)期，其實(shí)這只是我能想到解決理論問題的最簡單方法。在90年代的大部分時間里，我都在為該理論設(shè)計其他修正方案。但“群眾的眼睛是雪亮的”，到 2000 年，我確信“暗物質(zhì)”圖像是其中一個有用的近似。1984 年上半年，我重新引入了包含 Λ 值的理論。和以前一樣，它的目的是讓理論繼續(xù)適應(yīng)越來越多的觀測結(jié)果。Λ 的引入那時并不那么流行，很難想出 Λ 如何與標(biāo)準(zhǔn)理論相協(xié)調(diào)。但隨著觀測結(jié)果的增加，不斷獲得了關(guān)于暗物質(zhì)非常好的證據(jù)，現(xiàn)在我們有了一個比較令人信服的案例。那么暗物質(zhì)和暗能量有關(guān)系嗎？ 以下是需要思考的幾方面。

除了引力效應(yīng)之外，暗物質(zhì)可能永遠(yuǎn)不會被探測到。即便如此，這也不能成為反對它存在的理由。

在引入暗物質(zhì)的概念后不久，人們開始嘗試檢測暗物質(zhì)與構(gòu)成我們世界的重子物質(zhì)（普通物質(zhì)）可能的相互作用的影響。幾代科學(xué)家不斷優(yōu)化設(shè)計，實(shí)驗(yàn)的靈敏度得到了極大的提高。不過目前尚未觀測到暗物質(zhì)存在的可靠證據(jù)。如果你聽說暗物質(zhì)被探測到的消息——可能就在明天發(fā)生——那么像往常一樣，我建議持保留意見，直到你聽到友好或嚴(yán)厲的糾錯報告。你也可能聽過這樣的說法：既然極大改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)都無法檢測到暗物質(zhì)，所以它似乎是不存在的。我不同意這個觀點(diǎn)。在探索我們周遭世界方面，自然科學(xué)取得了巨大的成功，無論是大尺度還是微小尺度上——嚴(yán)格的觀測結(jié)果不斷與理論預(yù)言相匹配，即使在嚴(yán)格意義上來說是近似的。然而，我們不能保證這種理論預(yù)測與觀測結(jié)果的完美互動能夠繼續(xù)下去。除引力效應(yīng)之外，也許暗物質(zhì)永遠(yuǎn)不會被探測到。即便如此，這也不能成為反對它存在的理由。相反，它可以作為一個例證，給出我們希望發(fā)現(xiàn)的東西的限制條件。

人們一直在討論 Λ、暗能量和暗物質(zhì)之間的關(guān)系。也許三者的統(tǒng)一可以擴(kuò)展到黑洞問題。正如我們現(xiàn)在所知，黑洞并不是完全不可觀測的，當(dāng)較大的黑洞合并時，它們會產(chǎn)生引力波而且已經(jīng)被探測到了。史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）給了我們關(guān)于黑洞輻射能量的預(yù)測，這是個非常有趣的理論，除非它們的質(zhì)量非常小，否則輻射率將非常低。因此目前關(guān)于黑洞可能是暗物質(zhì)，或者黑洞可能與暗能量有關(guān)的說法并非不可信。

我提到所有這些是因?yàn)槔碚摷覀兎浅Ｓ袆?chuàng)造力，我希望他們能及時提出一個“最終”理論，該理論能考慮到所有方面，并與所有現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)觀測一致，還要與未來世界經(jīng)濟(jì)能夠承受的所有實(shí)驗(yàn)相一致。這樣的理論應(yīng)該被接受為描述現(xiàn)實(shí)的完美理論嗎？或者它可能僅僅意味著理論物理學(xué)家有足夠的聰明才智？我尊重理論物理學(xué)，甚至親自嘗試過，但我更尊重世界真實(shí)的樣子。實(shí)驗(yàn)觀測總是有限的，但實(shí)驗(yàn)也永遠(yuǎn)是必不可少的。我們只能去做那些我們能做的，當(dāng)然這就已經(jīng)很多了，而且可以肯定的是還有更多可能會到來。不過，在我的哲學(xué)中，世界必須以逐次逼近的方式向我們展示它是如何運(yùn)作的。

最后我想說，自然科學(xué)家已經(jīng)取得了偉大的進(jìn)步——通過假設(shè)世界的運(yùn)行是按我們所發(fā)現(xiàn)的規(guī)律那樣運(yùn)行的，而每一項新的發(fā)現(xiàn)又是對規(guī)律的再一次改進(jìn)。雖然很少聽到有人這么說，但其中隱含的假設(shè)是，隨著關(guān)于暗能量等問題的理論不斷改進(jìn)，它們正在向絕對現(xiàn)實(shí)靠攏。我們永遠(yuǎn)無法知道我們是否已經(jīng)收斂到最終的理論，即自然科學(xué)家的終極現(xiàn)實(shí)，還是只是得到一個非常好的近似。但它必須是逐次逼近，一步一步前進(jìn)的。

參考文獻(xiàn)

[1] https://arxiv.org/abs/hep-th/0012253#

[2] P. J. E.Peebles 2022. The Whole Truth; a cosmologist's reflections on the search for objective reality. Princeton University Press

[3] Weinberg, S. 1989. The Cosmological Constant Problem. Reviews of Modern Physics 61.1,

https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.61.1

作者簡介

詹姆斯·皮布爾斯（James Peebles，1935-），普林斯頓大學(xué)阿爾伯特·愛因斯坦名譽(yù)教授，著名的物理學(xué)家和理論宇宙學(xué)家，2019年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者，暗物質(zhì)先驅(qū)。因“對于物理宇宙學(xué)方面的理論發(fā)現(xiàn)”而獲得諾貝爾獎，皮布爾斯最知名的貢獻(xiàn)是解釋了宇宙微波背景輻射，他早在1964年就預(yù)測會有大爆炸殘留至今的信號，同年有科學(xué)家驗(yàn)證了他的預(yù)言。

本文原文引自：

Peebles, J. (2023, March 02). In defence of dark energy.IAI News. https://iai.tv/articles/in-defence-of-dark-energy-jim-peebles-auid-2407

本文受科普中國·星空計劃項目扶持

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司