第13章　暗能量之谜

第150夜：轻轻的一推

在任务第150天，空间站要把自己升到离地球稍高一点的地方。这叫作轨道提升，每隔一段时间就会进行一次。在大约400公里的高度，几乎没有空气，但也并不是完全没有。一丝非常稀薄的大气仍然能达到那么高。每一秒钟，空间站都会撞上极多稀稀落落地散布在那里的空气粒子，它们合在一起，让空间站的速度减慢那么一丁点。经过几周、几个月，空间站会慢慢地往下沉。所以每隔一段时间，它的发动机就要点火，把它推回上面去。

努尔觉得这是一个默默令人惊讶的事实。即使在这里，在远高于云层和天气的地方，空间站也没有完全摆脱地球的空气。如果没有这些小小的推力，空间站会在多年里越沉越低，周围的空气会变得越来越稠，最后它会落进下方稠密的大气里。所以轨道提升是一种例行的维护，就像检查一辆车的轮胎，或者给一扇门上油。地面上没有人看得到它，但它让一切都保持运转。

轨道提升由地面团队规划，发动机由地面和空间站的计算机控制。乘组的工作是做准备。努尔和托马斯在各个舱段里走了一遍，检查有没有什么松散的东西飘在会被那一点速度变化推动的地方。工具都收了起来。摄像机都固定到位。一项测量微小运动的实验被暂停了。努尔把一袋衣服的绑带拉紧，这袋衣服她好几天前就想整理了。

发动机点火时，并没有轰鸣声。只有一股柔和而稳定的推力。努尔正抓着窗边的一根扶手，当空间站在她周围向前移动时，她通过扶手感觉到了轻轻的一拉。一支不知谁忘了收的笔慢慢地飘向舱段的后部。托马斯看都没看就接住了它，他接住大多数东西时都是这样。几分钟后，发动机停了，一切又像之前那样飘浮着。空间站现在高了一点，能在上面停留得更久了。

几分钟后，地面传来一个平静的声音，确认轨道提升按计划完成了。托马斯把时间记进日志，努尔和阿德又在各个舱段里走了一遍，把上午的准备工作一项一项地复原。暂停的实验重新开始了。摄像机被松开了。到了午饭时间，空间站看起来和之前一模一样，只是离云层稍微高了一点。

那天晚上，努尔把轨道提升的事告诉了萨米。他每天夜里都和车辆打交道，所以一下子就明白了。“那就像卡车上坡，”他写道，“如果你不踩油门，车就会慢下来。”然后他又问了另一个问题：“宇宙也会慢下来吗？如果大爆炸之后一切都飞散开了，现在难道不应该在减速吗？”

努尔对着屏幕笑了。在20世纪的大部分时间里，天文学家们问的恰恰就是同一个问题，他们预期的也是同样的答案。今晚的故事讲的是，他们实际上发现了什么。这是天文学史上最大的意外之一，而且至今仍是一个谜。

预期中的减速

想一想把一个球竖直向上抛向空中。它上升时，地球的引力拉着它，它就慢了下来。如果你抛得很轻，它会减速、停住，再落回你的手里。如果你能抛得极其用力，它也许会完全逃离地球，但它在整个过程中仍然会一直减速，因为引力从不停止牵引。

许多年来，天文学家们也以类似的方式看待膨胀的宇宙。在炽热的开端之后，星系一直在彼此远离，因为空间一直在伸展。但宇宙中所有的物质都通过引力牵引着所有其他的物质。所以人们很自然地认为，这种牵引会慢慢地给膨胀踩刹车。唯一的问题似乎只是，这个刹车有多强。膨胀会不会减速到有一天停下来并反转过来？还是会永远减速下去，却始终不完全停止？

阿尔伯特·爱因斯坦在1915年完成的引力理论，允许一个充满物质的宇宙有几种不同的未来。1922年，亚历山大·弗里德曼在纸上推算出了其中的一些可能性。在一种宇宙里，膨胀会减速，然后反转，一切又落回到一起。在另一种宇宙里，膨胀会减速，但永远不会停止。我们生活在哪一种宇宙里，取决于宇宙包含多少物质。几十年来，测量这个量以及膨胀减速的程度，一直是天文学的核心任务之一。

要回答这个问题，天文学家需要把现在的膨胀和很久以前的膨胀作比较。请记住，望向远方就是回望过去。如果你能测出非常遥远的星系在它们的光离开时远离的速度有多快，再把它和附近的星系作比较，你就能看出膨胀是否发生了变化。这有点像查看一段旧录像里一辆车的速度，再和它今天的速度作比较。

困难的部分在于测量到极其遥远的星系的距离。亨丽埃塔·勒维特研究过的那些脉动恒星很亮，但还没有亮到能在最遥远的距离上被看到。天文学家需要一种亮得多的“灯”，而且要知道它的真实亮度。他们在一种特殊的爆炸恒星中找到了它。

把爆炸的恒星当作测量用的灯

有些爆炸的恒星起初是白矮星，也就是我们在之前一个夜晚认识的、像太阳这样的恒星留下的那种小而致密的残骸。当一颗白矮星有一颗靠得很近的伴星时，它就能慢慢地从那颗伴星身上聚集物质。当它变得太重时，它就会以一种非常明亮、相当有规律的方式爆炸。这类爆炸每次达到的峰值亮度几乎都相同，天文学家们也学会了如何校正它们之间的细小差异。这使它们成为有用的测量之灯，在几十亿光年之外也能被看到。

这种方法描述起来很简单，尽管工作本身非常艰难。如果你知道一盏灯真正有多亮，你就可以根据它看起来有多暗，判断出它有多远。一条长路尽头的路灯看起来很暗，并不是因为它光弱，而是因为它离得远。同样，一颗看起来很暗的这类爆炸恒星，一定离得非常远。

20世纪90年代，两个各自独立的天文学家团队着手利用这些爆炸来测量膨胀的减速。这项工作需要耐心。在任何一个星系里，这类爆炸都很罕见，所以这两个团队必须监视大量的星系，在爆炸还很明亮时捕捉到它们，然后用大型望远镜仔细地测量。许多人熬过了一个又一个漫长的夜晚，互相对照笔记，为每一个步骤争论不休。

1998年，两个团队报告了同样的结果。遥远的爆炸比预期的要暗。这意味着，如果膨胀一直在减速，它们就不应该那么远，但它们实际上更远。最好的解释，与几乎所有人的预期恰恰相反。宇宙的膨胀并没有在减速。在过去的几十亿年里，它一直在加速。

这个结果之所以如此令人信服，是因为它来自两个各自独立的团队。两个团队独立工作，使用各自的望远镜和各自的核查方法，而且它们之间还存在着一种友好的竞争，都想抢先一步。如果只有一个团队发现了加速，其他科学家可能会怀疑它的工作里有错误。当两个团队都发现了同样出人意料的答案时，这个结果就难以否定得多了。在科学中，就像在许多工作场所一样，两个细心的团队各自独立得出的结果，比只有一个团队看到的结果更有分量。

许多科学家起初并不确定。会不会是尘埃让光变暗了？会不会是很久以前的爆炸有一点不同？在随后的几年里，这些问题一次又一次地得到了检验。从那以后，其他种类的测量，包括最古老的光的详细地图，以及星系在空间中分布方式的详细地图，都指向了同一个方向。膨胀在加速，如今已经是这幅图景中被广泛接受的一部分。

从这项工作中得出的完整图景有两个部分。在炽热开端之后的最初几十亿年里，膨胀确实在减速，正如天文学家们所预期的那样，因为那时物质挤得更紧，它的引力很强。但随着空间伸展、物质变得稀薄，它的刹车作用就变弱了。几十亿年前，一种未知的推力，我们马上就会给它起名字，变得比物质的刹车作用更强，于是膨胀开始加速。所以，20世纪的天文学家们对引力的看法并没有错。他们只是少了故事中出人意料的第二部分。

给这个谜起一个名字

如果膨胀正在加速，那么一定有什么东西在导致它。科学家们并不知道那个东西是什么。他们还是给它起了一个名字：暗能量。叫它“暗”，是因为它不发光，无法被直接看到；叫它“能量”，是因为它似乎作用于整个宇宙。但这个名字只是贴在一个空盒子上的标签。它告诉我们那里有某种东西，却没有告诉我们它是什么。

根据目前的测量，宇宙的全部内容大致可以这样划分。普通物质，也就是构成恒星、行星、气体和人类的那种物质，只占大约5%。我们在之前一个夜晚认识的暗物质，大约占27%。暗能量大约占68%。换句话说，我们用望远镜看到过的一切，只是宇宙所包含的东西中的一小部分。其余的部分，我们只是通过它们的效应才知道。

也许可以把这想象成一份家庭预算。想象你研究了自己一个月的开支，发现每一百份里只有五份花在了你叫得出名字的东西上：房租、食物、交通。大约二十七份花在了某种你能感觉到它的影响、却在任何收据上都看不到的东西上。还有大约六十八份花在了某种更奇怪的东西上，它似乎让整个预算每个月都在变大。你一定会非常想弄清楚那两项隐藏的开支。这就是天文学家今天所处的境地。

一种可能性是，暗能量是空无一物的空间本身的一种性质。如果即使是完全空无一物的空间里也含有少量的能量，那么随着空间伸展，空的空间就会更多，这种能量也就会更多。这种能量会推动膨胀前进。有意思的是，这个想法让爱因斯坦在1917年加进他方程里的一个项又回来了，当时他想描述一个静止的宇宙。后来膨胀被发现时，他放弃了这个项。今天，同一个项以一个新的角色回来了，不是为了让宇宙保持静止，而是为了描述它的加速。

但这并不是唯一的可能性。有些科学家认为，暗能量可能会随时间变化。另一些人则在想，当我们观察最大的距离时，我们的引力理论是否需要修改。目前，还没有一个公认的答案。大规模的新巡天正在测量数量庞大的星系的位置和距离，以便更精确地看出膨胀随时间发生了怎样的变化。这些测量也许有一天会表明，哪些想法是在正确的道路上。

两种对不上的测量

还有另一个与膨胀有关的未解问题，天文学家们今天正在研究。它关系到宇宙此刻膨胀得有多快。测量这一点有不同的方法。一种方法是利用脉动恒星和爆炸恒星，测量附近星系的距离和速度，就像我们所描述的那些工作一样。另一种方法是从最古老的光的详细地图出发，用我们关于宇宙的最好理论，计算出今天的膨胀应该有多快。

两种方法都很细致，都经过了许多次核查。然而它们给出的答案略有不同。这个差别并不大，但比测量的预期误差要大。这有点像两位细心的工人用两种不同的工具测量同一个房间，得到的结果相差一个虽小却顽固的数值。每位工人都检查了自己的工具，每件工具看起来都没有问题。

还没有人知道为什么答案会不同。也许其中一种方法里藏着一个谁也没有发现的小错误。也许我们关于宇宙的理论少了些什么，比如关于暗能量或关于早期宇宙的某些东西。科学家们正在用新的望远镜和新的方法检验这两种可能性。这是一个诚实的例子，说明了科学是怎样运作的：当两种好的测量结果不一致时，科学家们不会选择自己喜欢的那一个。他们会继续测量，直到弄明白为止。

新的望远镜正在帮助解决这个问题。能看到红外线的詹姆斯·韦布空间望远镜，可以透过尘埃，比以前的望远镜更清楚地分辨出星系中一颗颗的脉动恒星。天文学家们正在用它和其他望远镜，一步一步地核查对附近距离的测量。与此同时，其他团队正在改进基于最古老的光的计算。每一个新结果都受到密切关注，因为一个清楚的答案，无论结果是哪一种，都会教给我们一些重要的东西。

对一个上班的人来说，这里面有一种熟悉的感觉。我们许多人在工作中都遇到过一个怎么也解决不掉的问题，一个对不上的数字，或者一台有时会莫名其妙停下来的机器。解决办法常常来得很慢，来自耐心的核查。宇宙也正是这样，靠一次又一次耐心的核查被逐渐理解的。

入睡之前

夜深时，努尔飘到窗前。空间站那天升高了一点，但从里面看，一切都没什么不同。地球在下方转动，星星在大气边缘之上闪耀。在那些星星之外的某个地方，星系正在被一种从来没有人见过的东西推动着，每年都比前一年彼此远离得更快一点。

她给萨米写道：“你问得对。天文学家们原以为宇宙在减速，就像你的卡车上坡时不踩油门一样。但他们一测量，发现的却是相反的情况。膨胀正在加速。他们把原因叫作暗能量，但没有人知道它是什么。所以今晚，你的问题是科学中最大的问题之一。”

睡着之前，她想到，在一个需要被推一推才能待在原位的空间站上工作，而这个空间站又身处一个似乎正被一种没有人理解的东西向外推着的宇宙里，这是多么奇妙的事。空间站的慢慢下沉和宇宙的加速，都是以同样的方式被注意到的：有人仔细地看着数字，看出了有些东西对不上。

凌晨三点，萨米在卡车驾驶室里读了这条消息。“这么说，宇宙正踩着油门，”他回复说，“却没有人知道那是谁的脚。”努尔醒来时读到了他的回复，觉得这个描述一点也不差。

知道即使是那些用整个职业生涯研究宇宙的人也没有全部的答案，或许会让人感到安慰。如果今晚你自己生活中的某件事仍然不清楚，你有非常好的同伴。有些问题很快就能得到回答。另一些则需要耐心、细致的工作和时间。

常见的误解

许多人以为暗能量和暗物质是同一种东西，因为它们的名字里都有一个“暗”字。事实上，它们非常不同。暗物质把东西拉到一起。它的引力把星系和星系团维系在一起，并帮助它们形成。暗能量似乎恰恰相反：它推动宇宙的膨胀变得更快。两者都被称为“暗”，是因为我们无法直接看到它们，而且两者都还没有被理解。但它们是两个不同的谜。

许多人还以为，暗能量是一种我们可以收集和使用的能量，就像电池里的能量或阳光里的能量一样。因为它的名字，它听起来就像那样。但暗能量，不管它是什么，在空间中分布得极其稀薄。在一个房间的空间里，甚至在整个地球的空间里，它都几乎微不足道。它的效应只有在星系群之间那极其巨大的距离上才变得重要。它不是机器的动力来源，而且即使在原理上，也没有人知道怎样才能利用它。

最后，有些人以为科学家已经知道宇宙将怎样终结，比如它会把自己撕裂、会冻结，或者会重新落回到一起。你也许读到过一些被当作事实来介绍的这类想法。真实的情况是，遥远的未来取决于暗能量的本质，而我们还不知道它的本质。如果它保持现在看起来的样子，膨胀就会继续加速，遥远的星系会慢慢地从视野中消失。但如果暗能量发生变化，未来也可能会不同。在下一个夜晚，在一次安静的值班中，我们将走到我们所知范围的最边缘，问一问那之外有什么。