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物质与时空摩擦产生暗能量?

暗能量之谜

近些年,在物理学上有些事情是比较棘手的,比如暗能量。

我们认识暗能量已经有一些年头了。1998年,天文学家在观察遥远的超新星时,发现它们比预期的要暗。在一个还在膨胀的宇宙中,虽然随着超新星和我们的距离在增加,它们的亮度注定是要衰减的,但它们还是暗得太快了一点。这只能用宇宙膨胀在加速来解释。

必定存在一种神秘的东西,是它踩了宇宙加速膨胀的“油门”。科学家把这种未知的东西叫做暗能量。暗能量大约占了宇宙总量的三分之二。根据近年来的观测显示,它应该均匀地分布在整个宇宙,其能量密度仅相当于每立方米6个质子的质量。搞清暗能量是什么,是当前物理学上的最大课题之一。

对于物理学家来说,最简单的办法是把暗能量解释为真空能。因为他们很早就知道,根据量子力学,真空中充满着各种此起彼伏的量子场,因此真空也是有能量的。但随后的计算却表明,真空能要比暗能量大差不多120个量级。这么大的差距,当然是无法接受的。

遇到这种情况,许多人就放弃这种设想了。但依然有不少人在顽强地通过修正理论来缩小这个距离。最近有人声称,暗能量并非宇宙中某个真实存在的实体,它仅仅是物理学家们在记录宇宙能量收支平衡时,之前被他们忽视了的某种东西。

但要理解这一点,不得不假设:我们通常意义上理解的能量守恒,不是任何情况下都成立的。

对能量守恒的质疑

这个假设可谓石破天惊。你不妨想一想,科学上定律、原理那么多,可是有哪一条比能量守恒定律更根本、更颠扑不破呢?事实上,能量守恒不仅通过了无数次实验的检验(见拓展阅读“能量守恒为我们做过些什么?”),还跟物理学上最基本的一个对称联系在一起。

早在20世纪初,数学家艾米丽·诺特就已证明,物理定律的每一种对称性,都对应一条守恒定律。例如,空间平移对称性导致动量守恒定律,时间平移对称性导致能量守恒定律。时间(空间)平移对称,通俗地说,就是物理规律不随时间(空间)的变化而变化。比如众所周知,没有哪条物理定律的有效性会有一个截止日期。

不过,对能量守恒的质疑也并非今日始。之前物理学家就从微观和宏观两方面提出过质疑。

就微观方面来说,量子理论认为,真空并非真的空无一物,里面其实充满了许多虚粒子;这些虚粒子可以从真空中暂时借得一部分能量,以获得“肉身”,旋即湮灭,又把能量归还真空。虽然从大的时间尺度来看,能量似乎还守恒,但从非常小的时间尺度来看,能量守恒显然被破坏掉了。

就宏观方面来说,广义相对论告诉我们,光在强引力场中传播时,波长会被拉长,此即引力红移。但是我们知道,光子的能量跟波长成反比,波长变长,岂不意味着光子的能量下降?可是,光在真空中传播,并没有什么东西偷走能量呀?所以在这里,能量守恒也被破坏了。

物质和时空如何交换能量?

不过,物理学家又说,这一切都只是表面现象。能量之所以不守恒,是因为我们之前对能量的理解太狭隘。在来自微观方面的质疑中,因为真空也是有能量的,一旦考虑真空能,总能量还是守恒的。在来自宏观方面的质疑中,广义相对论早就告诉我们,当时空被弯曲或平摊开来的时候,能量就会被吸收或者释放出来。所以,发生红移的光子,损失的能量必定是被弯曲的时空吸收了。一旦计及它周围时空的能量变化,总能量也还是守恒的。

这么一来,似乎又无话可说了。不过,能量在物质之间相互交换,是好理解的,但它是如何在物质和时空之间交换的呢?譬如发生红移的光子,是如何把自身的能量传递给周围时空的?

法国物理学家希伯特·罗赛特试图来解决这一问题。他认为,秘密或许就藏在广义相对论和量子力学交叉的地方。

这个既涉及广义相对论,又涉及量子力学的地方,本应以统一的量子引力理论为奥援,可惜该理论至今付之阙如。一个重要原因是,量子力学和相对论的时空观,有着巨大的差异。相对论认为,时间和空间都是连续的、平滑的;然而量子力学却认为,万物都是分立的、一份一份的,倘若深究下去,甚至连时空本身也是如此。

我们迄今描述物理现象,都假设时空是光滑的、连续的。相对论告诉我们,任何一个有质量的物体,甚至一个微观粒子,都会让它周围的时空发生扭曲,扭曲程度依它的质量而定(比如,黑洞把它所在的空间就扭曲成了一个漏斗形)。但倘若时空真是颗粒状的,当然对置身其中的物体会产生影响。就好比一个铁球,在一块厚毯子上滚动,从远处看,它滚到哪儿,哪儿就陷下去,但从近距离看,你会发现毯子表面并非光滑,而是由一根根直竖的、蜷曲的细毛组成的,铁球在运动时,会受到细毛的阻扰而损失能量。罗赛特说,颗粒状的空间对于运动粒子来说,就好比摩擦力,粒子的能量通过这种形式,传递给了“毛茸茸”的空间。

暗能量新说

如果这个设想对头,那么自大爆炸以来,宇宙中的物质就在持续不断地丧失能量。固然,对于单个粒子来说,损失的能量是非常之微小的,用目前的设备根本无法探测,但考虑到宇宙之大,之久,这些积累起来的能量必定非常可观,足可用来解释暗能量的起源。换句话说,暗能量不是别的,就是物质在运动时,被时空损耗并吸收的能量。

罗赛特做了一下计算,如果把宇宙中不包括暗能量在内的物质总能量,比作一个10×10×10立方千米的水体,那么每年损耗的能量,仅相当于一个质子的质量。把自大爆炸以来损耗出去的能量全部加起来,跟天文上观测到的暗能量比较,差距从原先的120个量级缩小到7个量级。他认为,如果把他的理论进一步精细化,差距或许还会缩小。

当然,这个理论也并非没有争议。首先,物理学家要想搞清楚粒子尺度上与时空有关的事情是很困难的,因为在天体层面上行之有效的广义相对论,在此失效了。其次,罗赛特理论中的另一个假设,即时空是颗粒状的,尽管在科普文章中已经很流行,但在科学上远未得到证实。所以,要搞清暗能量的真实来源,恐怕还是需要等待把量子力学和广义相对论结合起来的统一理论。

能量守恒为我们做过些什么?

我们不论朝哪儿看,能量看起来似乎都在创生或消灭:落体获得速度;潮汐涨了落,落了涨;被消化的食物似乎不见了……

但每一次,只要我们坚信能量既不能创生,也不能消失,总是守恒的,就总看透这些表面现象,为我们增加新的认识:物体从地面升起,就获得引力势能;海洋的水受月球引力的作用;食物被转化成了我们体内的肌肉和脂肪……

出于同样的道理,石头在地面滑行,速度越来越慢,让达·芬奇发现了摩擦力。19世纪,法国天文学家奥本·勒维耶结合能量守恒定律和观测数据,使他预言了海王星的存在。焦耳等一批物理学家,用能量守恒定律证明,热量只是另一种形式的能量。爱因斯坦的质能方程则证明,原子弹爆炸所产生的巨大能量,都储存在原子的质量上。

也许最让人印象深刻的是中微子的发现。1930年,物理学家发现,放射性原子能够发射电子,但在这一过程中,能量似乎莫名其妙地变少了。当时,像玻尔这样的大物理学家都猜测,或许在这一过程中,能量不再守恒了。但奥地利物理学家泡利却坚持认为能量是守恒的,只是被某种不可见的新粒子带走了。最后实验证实泡利的想法是正确的,新发现的粒子被命名为中微子。能量守恒定律再一次被证明是正确的。

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