爱华网黑暗能量摇身一变，成了真空能量。真空呀真空，真正大空。大空之境，何来能量？ 物理的量子力学中有一个重要概念，就是“测不准原理”（uncertainty principle）。“测不准原理”说，宇宙间任何物理现象的测量，都有误差。举个简单的例子，就量一杯热水的温度吧。量温度要用温度计。温度计本身的温度肯定比要量的热水温度低。温度计插到水中后，开始从热水中吸热，热水的温度降一点，和温度计插入前的温度显然不同。所以，我们虽然量到了热水的一个温度，但这个温度已经变了，差别可能相当细微，却已不是原来的温度了。更别谈一杯水的温度本来就不均匀，是上面的温度呢？还是杯底的温度呢？好，为了精确起见，就把杯子缩小，杯子里的水就更接近同一温度。但相对的，温度计的体积更大了，对杯中水的温度干扰更大，测出的温度误差更大。 在宏观世界里，一杯水的温度量得准不准，不是重要的事。管它是48.76摄氏度还是48.82摄氏度，不妨碍一口喝下去就成。但在微观世界里，高速飞行的粒子躲在量子“测不准原理”守护神的后面，它们的身影永远笼罩着一层神秘的薄纱，真人永不露相。在微观的量子世界里，“测不准原理”无所不在，尤其对几个重要关口，防卫得更紧，零绝对温度就是一个例子。粒子一般在绝对温度不等于零的环境中取得热能，转换成动能飞行。聪明的人类就想，好，有温度你动，那我就把你关进绝对温度为零的环境中，没热能可用，你粒子就得乖乖地从空中掉下来，一动不动地躺在那里让我看个够。“测不准原理”说：没门儿，没有所谓精确的绝对零度这回事，我又怎么可能赤裸裸地让你看清楚呢？在绝对零度上下，我是会量子震荡（quantum fluctuation）的，形成一团朦胧的雾，你视线又模糊了，还是看不清楚吧！ 另一个关卡，就是真空。真空中本来什么都没有，人类掉以轻心，没花心思严肃对待。“测不准原理”把真空看得更紧。你说真空就是真正的空，零能量零结构一切空空空零零零吗？告诉你，没有所谓绝对精确的真空。在绝对真空上下，我有真空震荡（vacuum fluctuation）戏码，老鼠掀帘，露一小手，显出真空能量和真空结构给你看看，我真空家当还不少呢！ 物理学家理解到真空的奥秘后，就设计出测量真空的实验，看看真空中到底有些什么结构。哇，不得了啊！真空中竟然真的有量子力场、量子纤维、真空能量等，其中最出名的实验是卡齐米尔效应(Casimir Effect)。 卡齐米尔效应很简单。在真空中放两片不带电平行安置的金属板，把它们之间的距离逐渐拉近，两板之间居然产生一股向内推的压力。这个力量太神奇，所以每一代物理学家都使用最先进的仪器，重复这个实验，作用在两板间的力量就越量越精确，奠定了卡齐米尔效应的正确性。（图1） 卡齐米尔效应指出一条明路。不能小看真空，它有能量内涵和复杂结构。 宇宙中的真空能量，极为纤弱，在“大霹雳”后很长的一段时间，它的地位卑微，一直是被忽略的对象。三十年河东，三十年河西，真空能量开始坐大，曾几何时，竟然在理论上可能成为主宰我们宇宙的力量。 从能量的结构分析，我们的宇宙有三类能量。第一类由物质而来。这类能量的密度，随着膨胀宇宙空间体积的增加，相对逐渐变弱。第二类由电磁波组成。像物质能量一样，它的密度除了也随宇宙体积的增加变弱，外加电磁波在更大的空间中，波长变长，能量相对递减。所以电磁能量密度，在增大了的空间，比物质能量密度衰减的速度快。第三类能量来自虚无飘渺的真空。这类能量密度与空间大小无关，是一个固定能量密度。第一、二类能量总值虽然从“大霹雳”后就固定不变，但密度随空间加大而降低，而真空能量密度恒定，不增不减，以不变应万变。更厉害的是，当宇宙体积不断膨胀变大，由真空而来的总能量，也水涨船高，宇宙越大，真空总能量就越高。只要宇宙不停膨胀，不花一个子儿就能获得无穷无尽的能量，取之不尽，用之不绝，永无能源危机。 目前估计，“大霹雳” 后80亿年内，物质能量密度和电磁能量密度的总和大于真空能量密度，宇宙基本以近等速膨胀，50多亿年前，宇宙膨胀够大了，真空能量密度开始行主导权，注入所谓的真空黑暗能量，造成宇宙膨胀速度加速。如果人类还想要一个最终不胀不缩的宇宙，真空能量密度只能定在0.73这个数值上，其它的0.27中有0.04是我们能看到的熟悉物质能量密度，剩下的0.23是黑暗物质。
有的专家认为，类似这种真空能量的黑暗能量，在大霹雳最最初时段发过一次力，在10-34到10-32秒间，以超光速把宇宙一下子膨胀了1030倍。还有，这个能量从今以后最好逐渐与时递减，才能保有以人为主观意愿不胀不缩的宇宙。这又是另外一篇大文章，在此暂时不谈。 目前人类最聪明的想法认为，黑暗能量来自真空能量，而真空能量是宇宙不折不扣的终极免费午餐。 黑暗物质 黑暗物质的存在，至少来自三个线索。第一，从螺旋星系的转速来看，包括银河系在内，星系外围晕部转速太快，远远超过可见物质重力场操控能力，如无黑暗物质护航，早已飞离星系远逸。第二，从超大星系团中个别星系间互动情况来看，速度已远远超出星系团脱离速度，如无黑暗物质额外重力场参与，应早已劳燕分飞，团聚不再。第三，宇宙间重力场透镜比比皆是，没有巨大黑暗物质重力场的聚光，无法成像。 所以，现代天文学家的共识，皆认为黑暗物质的确存在，但麻烦的事是这类物质深藏暗处，神龙首尾皆不见，侦测不到，苦啊！ 追寻黑暗物质，第一个要问的问题，就是这些看不见摸不着的黑暗物质，是由我们熟悉的物质变过去的吗？这些物质，是蜡炬成灰泪已干后由绚烂转成黑暗，从我们望远镜中的视野永远消失，可能吗？ “大霹雳” 后100秒内，我们熟悉的物质总量，基本上以质子和中子形式出现，已经到位。因为当时的宇宙在极高温状态，约10亿度的温度，质子和中子有足够的能量形成氘核子（质子和中子各一）。此时氢核子，也就是质子，和氘核子之间相对总量的比值固定下来。自此以后，宇宙温度转低，再无能力制造出氘核子。所以，这个比值是我们熟悉物质的签名式，在过去宇宙演化的137亿年中，通过望远镜对每个时期氢氘核子相对蕴藏量的光谱测量，就能得到我们熟悉物质的演变历史，决定它们是否烧光转暗，变成黑暗物质的一部分。 专家通过望远镜的时空隧道，选了大霹霹后期，宇宙中年和现代宇宙三个时期，仔细测量氢氘核子相对蕴藏量的变化，发现，这个比值别来无恙，没变，137亿年来忠心耿耿，没有投靠黑暗物质，还在为我们熟悉物质的宇宙效力。 氢氘核子的比值的确解决了第一个问题的主要部份。但有人问，黑洞（black holes）是黑暗物质的一部份吗？还有，褐矮星（brown dwarfs），不发光的星云，星系间小的氢雪球等等，它们可能是黑暗物质的一部份吗？总体来说，它们的存在，能用电磁波寻出蛛丝马迹，黑暗物质看不见，但看不见的不一定是黑暗物质。这类物质归于后者，属于我们熟悉的物质那一类。 我们熟悉的物质宇宙由四类力量推动：引力，电磁力，弱核力和强核力。四类力量，各有管辖地盘，后三类已互发签证，三通(电磁力，弱核力和强核力)无阻，只有引力部份，仍然无组织无纪律，自我逍遥，归队无期。 黑暗物质很可能在大霹雳时，和我们熟悉的物质先后出现，只是它的物质基因，除开牛顿力学中的引力部份与我们熟悉的物质相通外，其余的物理特性，一概不知。 那，黑暗物质到底是什么东西呢？ 在媒体上常常提到的黑暗物质是微中子（neutrinos），它又称‘热’黑暗物质，不带电荷，以光速奔驰，在宇宙中的蕴藏数量巨大。微中子在1930年代就被预测存在。你我的身体，每秒钟被来自太阳和宇宙众星系千亿个微中子穿透，但我们浑然不觉。其实，它们更视地球和太阳如无物，随意穿梭，所向披靡。人类绞尽脑汁，在地层深处，安置了最灵敏的侦察装置，经过了50多年的努力，终能一窥它们的卢山真目面。在1945、1995和2002年，诺贝尔物理奖三度颁发给在微中子研究有成就的科学家们。 微中子虽然是黑暗物质的血亲，但总质量太轻，占不到黑暗物质总质量的1%。微中子不是黑暗物质主力部份。 另一模拟较能成气候的黑暗物质叫“微弱作用重粒子”（weakly interacting massive particles, WIMPS），它属于‘冷’黑暗物质类，当然也不带电荷，理论上的要求是它的质量越高越好，企盼着它是主力黑暗物质部队，为人类解惑。 中国从1990年代就和意大利合作，在罗马附近一个1,400米深的地下“黑暗物质” （DArk MAtter, DAMA）实验室，进行捕捉WIMPS的工作。 最近在欧洲日内瓦投产使用的“大强粒子碰撞机”（Large Hadron Collider）的主要任务之一，就是寻找WIMPS或是它的远房亲戚。结语 天文物理学家认为，黑暗能量应该存在，它可能由真空能量而来。真空能量是量子世界的产物，相当神秘，威力可能和想象中一样强大，但到目前为止，仅是理论上的沙盘推演，并无天文数据佐证。更难解的关键问题是，黑暗能量为什么能产生一股“反重力”的推力？这是对当今人类智慧的一个最大挑战。 黑暗物质的存在，有实验数据证实。它生来就有自闭个性，幽暗隐居，人类追寻之路艰难。它很可能是在“大霹雳”初期宇宙能源充沛时，比我们熟悉的物质早一脚出现，抢先用掉大部份能源，造成它拥有极高能量的体质。人类目前卯足了劲儿，打造出“大强粒子碰撞机”，期望能够得着黑暗物质高来高往的能量，要不或许也能找到它一个远房能量较低的穷亲戚，至少能间接推证它的一些特性。 最聪明的人类，为了解决黑暗能量和黑暗物质问题，吹响了“集结号”。 图1：卡齐米尔效应实验。两个在真空中不带电的卡齐米尔平行板（Casimir plates），在近距离内，经由真空震荡（vacuum fluctuation），互相吸引，证明真空中有能量存在。
