暗物質正在衰變成暗能量嗎？暗物質減少、暗能量增加

衆所周知,就宇宙的構成而言,僅僅依靠普通物質和輻射不足以解釋宇宙的演化。 通過研究宇宙中各種形式的物質和能量,我們發現,已知粒子、原子及其組成部分,中微子和光子,僅佔宇宙總量的約5%。 其餘部分需要我們通過天體物理觀測來推斷,例如宇宙微波背景輻射、宇宙的大尺度結構以及遙遠的核外天體探測。 根據這些觀測結果,我們得出結論,宇宙中27%的能量以某種形式的不可見、聚集的暗物質存在,而剩餘的68%則均勻分佈在整個宇宙空間中,極暗能量。 如果沒有這兩種額外的成分,宇宙的演化就無法解釋。 隨着時間的推移,物質密度下降,而暗能量的相對比例卻在增加,這兩者之間是否存在關聯? 暗物質的減少與暗能量的增加難道不是顯而易見的聯繫嗎? 如果我們觀察宇宙發展的歷程,看起來暗物質的瓦解或轉化可能是暗能量增強的來源。 你認爲這種假設有依據嗎? 提出一個好的假設只需要一個明確的問題,而這正是一個好問題。 關鍵在於檢驗這個假設是否經得起推敲。 首先,我們必須瞭解暗物質和暗能量究竟是什麼。 暗物質的行爲與普通物質類似,但有一個重要的例外,據我們所知,它不與標準模型中的任何力發生相互作用。 假設我們將一大團孤立的暗物質和一團質量,體積都相同的普通物質分別放入我們的宇宙中,會發生什麼呢? 它們都會受到引力作用,相互吸引並結合在一起,在膨脹的宇宙中形成一個巨大的結構。 每個粒子,無論是暗物質粒子還是普通物質粒子,在相同的距離下都會受到相同的引力作用,並圍繞這個巨大結構的中心完成橢圓軌道運動。 相互之間發生引力作用的粒子會通過彼此之間的引力交換線動量和角動量,從而使更多的物質聚集到中心區域,而外圍區域的物質則會減少一些。 就引力而言,兩者沒有區別,但當我們考慮非引力效應時,差異就顯而易見了。 正如你只需拍拍手就能驗證的那樣,普通物質粒子之間會發生非彈性碰撞。 這意味着粒子不會像暗物質那樣彼此穿透,而是在碰撞時會損失動量和角動量,並在此過程中釋放熱量和其他形式的能量。 此外,正如你觀察自己的雙手就能驗證的那樣,普通物質對大多數波長的光並不透明。 相反,它會吸收某些頻率和波長的光,同時反射其他頻率和波長的光。 這意味着普通物質既可以發射光也可以吸收光,從而能夠交換能量、動量和角動量,並通過碰撞進行冷卻和加熱。 最後,普通物質還會發生結合反應。 電子和原子核結合形成原子、分子以及更大、更復雜的結構。 如果聚集足夠多的普通物質,高溫高壓可以引發核反應。 總而言之,這些力共同作用,使得普通物質聚集在比暗物質小得多、更集中的空間區域。 而暗物質則以巨大的、蓬鬆的光運狀結構分佈在宇宙中。 然而,由於暗物質和普通物質都表現得像是由粒子構成,因此隨着宇宙膨脹,它們會發生一些奇妙的變化,它們的密度會下降。 密度簡單來說就是某種物質處以它所佔據的體積,所以只要這種物質的數量保持不變, 例如粒子的數量,那麼隨着體積的膨脹,密度就會稀釋,體積增加一倍,密度就會減半。 如果體積增加到原來的十倍,密度就只有最初的百分之十。 對於普通物質和暗物質來說,粒子數密度和能量密度都會隨着體積的增加而按比例下降。 另一方面,暗能量的行爲方式則截然不同,其他形式的能量存在於空間的背景下,而暗能量卻表現得像是空間本身固有的能量形式。 暗能量究竟是源於真空的量子零點能,廣義相對論中的宇宙常數項,還是某種與空間本身密不可分的常,對於我們的討論來說並不重要。 重要的是暗能量的行爲方式即使宇宙膨脹,即使體積增加,暗能量的能量密度仍然保持不變。 這爲我們提供了一個框架,可以用來比較我們對宇宙的標準認知與本視頻探討的另一種替代方案。 在標準模型中,大爆炸發生時,宇宙中存在一定量的輻射,中微子,普通物質,暗物質和暗能量。 隨着宇宙膨脹和冷卻,體積增大,單個量子失去動能,這導致每種物質的能量密度發生相對變化。 輻射和中微子最初佔據主導地位,但它們的密度下降得最快,因此暗物質和普通物質後來逐漸佔據主導地位,但它們的密度也在下降。 直到大約七十億年後,它們的密度下降到足夠低的水平,暗能量的影響纔開始顯現出來,而暗能量的密度始終保持不變。 隨着時間的推移,所有由粒子組成的物質,輻射,中微子,普通物質和暗物質的密度都會持續下降,但暗能量的密度保持不變。 這意味着我們有兩種方式來思考宇宙如何變化。 在第一種情況下,我們可以簡單地考察宇宙中存在的各種能量形式的相對能量密度。 我們甚至可以加入一些假想的能量形式,例如宇宙弦和綢幣,來了解如果它們確實存在,它們的行爲會是怎樣的。 上面的圖表就展示了這一點,宇宙空間中任何區域的絕對能量密度,不同能量形式的能量密度下降速度不同,但它們都會隨時間推移而降低。 唯一的例外是暗能量,預計它的能量密度保持不變,這一預期與觀測結果一致。 然而,我們也可以不考慮絕對密度,而是從相對能量密度的角度來理解宇宙中的物質構成。 在宇宙演化的任何時刻,我們都可以提出這樣的問題,每種能量形式佔總能量密度的百分比或比例是多少。 在這種情況下,總能量密度始終爲100%,但由於不同能量形式對宇宙膨脹的依賴關係不同, 每種能量形式的相對值會隨着宇宙膨脹而發生變化。 這種思路的結果如下圖所示。 現在,我們終於可以考慮另一種可能性,如果暗物質正在轉化爲暗能量會怎樣。 這是一個值得探討的問題,因爲它會徹底改變我們迄今爲止所構建的宇宙圖景。 這意味着,隨着時間的推移,一部分暗物質會衰變,這不僅會導致暗物質密度下降,而且下降幅度會比普通物質密度的下降幅度更大。 一部分初始暗物質會衰變消失,因此暗物質與普通物質的比例應該會隨着時間的推移而降低。 這也意味着,隨着時間的推移,宇宙中的暗能量總量實際上會增加,這不僅代表着暗能量相對密度的增加,也代表着其絕對密度的增加。 如果暗物質衰變爲暗能量,那麼在任何時刻,暗物質衰變所損失的能量都必須與暗能量增加的能量相匹配。 因此,隨着時間的推移,暗能量的能量密度將會增加。 我們檢驗前一種假設的方法是,將我們在宇宙中觀測到的結構與標準模型和替代模型進行比較,因爲這種結構與普通物質和暗物質的丰度密切相關。 如果早期宇宙中暗物質相對於普通物質的比例更高,那麼我們就能在大爆炸遺留的餘暉、宇宙微波背景輻射中找到證據。 這張宇宙的快照,儘管我們今天才能觀測到它,但它來自大爆炸後38萬年發出的光。 如果當時暗物質與普通物質的比例更高,高於我們今天在星系、星系團和宇宙網中觀測到的5比1的比例,那麼這種差異就會體現在宇宙微波背景輻射溫度掌握中偶數峯值和奇數峯值的比例上。 但我們已經對這一點進行了極其精確的測量,數據也清晰無誤,在早期宇宙中,暗物質與普通物質的比例也確實是5比1。 事實上,我們對修正引力理論的一個限制條件就是,有效的暗物質與普通物質的比例不允許改變。 我們還可以通過精確測量不同宇宙時期的膨脹率,來探究早期宇宙中暗能量的含量是否與現代晚期宇宙有所不同。 有趣的是,結果確實與我們的預期存在一些差異。 如果我們從今天開始,向過去追溯,我們會發現宇宙如今以特定的速度膨脹,這種膨脹主要由暗能量主導。 但如果我們從最早的宇宙信號開始,測量它們隨時間演化的過程,我們會得到一個不同的、更小的數值,來描述宇宙從早期至今的膨脹情況。 暗能量的數值逐漸增加能否解釋這一觀測結果呢?這是一個誘人的可能性,但事實證明,這恰恰與我們所需的解釋方向相反。 如果早期宇宙的暗能量比現在更多,一種早期暗能量在之後部分衰減,這或許有助於解決圍繞宇宙膨脹的難題。 但如果我們假設暗能量隨時間增強,只會讓這個難題更加棘手。 宇宙中暗物質相對於暗能量的比例確實在下降,但這並不能被解釋爲暗物質正在衰變或轉化爲暗能量。 相反,證據表明,暗物質與普通物質的比例保持不變。 暗物質的相對風度下降僅僅是因爲宇宙膨脹,暗能量的總能量密度似乎不隨時間變化,而是保持恆定。 因此,隨着宇宙膨脹,暗能量只是相對而言變得更加重要,而不是其能量絕對之有所增加。 信不信由你,這正是我們在考慮新的科學思想,假說或理論時所期望的一套清晰的預測。 這些預測以可觀測、可測量、可檢驗的方式與宇宙聯繫起來。 在這種情況下,這些預測並未得到證實,因此我們可以對暗物質衰變的程度以及暗能量總密度的增加程度設定有異議的限制。 宇宙中暗物質相對於暗能量的丰度正在下降,但一旦考慮到宇宙膨脹的影響,這些相對變化的程度就不需要進一步修正了。 關於暗物質和暗能量,我們可能還有很多需要了解的地方,但其中一種物質衰變爲另一種物質並非我們迄今爲止觀察到的所有現象的原因。 暗物質本質上是不可見的,我們無法用望遠鏡觀測,也沒有粒子物理學家有幸成功地用實驗觀測到它的存在。 所以,爲什麼我與上萬名天文學同行一樣,相信宇宙的質量大多由暗物質構成,而不是組成了恆星、行星與其他所有可見天體的物質呢? 爲了回答這個問題,你需要理解暗物質所能做的與不能做的事,瞭解它在宇宙中潛伏何處,並意識到暗質是這個謎題的開端。 暗物質的故事始於速度與引力,宇宙的每個角落中,都有物體在引力的影響下沿軌道運行。 就像地球環繞太陽一樣,太陽也同樣環繞着銀河系的中心。 爲了維持在軌道上的運行,天體所需的速度是一個由質量與距離描述的函數。 例如,在太陽系中,地球以每秒30公里的速度運行,而太陽系邊緣的行星僅以每秒數公里的速度失事而行。 我們的銀河系是如此之龐大,以至於距銀星26700光年之外的太陽也以230公里每秒的極速遷行。 但是,當我們繼續遠離銀河系的中心,全星的環繞速度幾乎不變。 這是爲什麼呢?與質量集中在太陽本身的太陽系不同,銀河系的質量分散在數千光年之間。 距銀河系中心越遠,其半徑內囊括的星體及氣體越多,使增加的質量導致了邊緣星體的高速碼並不盡然。 在上世紀60年代,美國天文學先驅威拉、魯賓測量了仙女座星系聚氣中心7萬光年處的星體環繞速度。 令人驚奇的是,儘管這一距離早已超出了仙女座星系大多星體與星系氣體存在的範圍,其環繞速度仍保持在大約350公里每秒,這一現象也不侷限於獨立星系中。 早在上世紀30年代,瑞士一美國天文學家弗裏茨自慰基就發現星系團中的星系運動速度要遠快於預期。 是什麼改變了星體與星系的速度? 一種可能是,大量不可見的物質存在於遠超出星體與氣體的廣闊空間中,而這種物質便是暗物質。 的確,自慰基、魯賓與其後許多研究都證明了宇宙中的暗物質要多於物質。 難以置信的是,我們無法探測到暗物質的事實反而提供了一些關於其性質的線索。 暗物質必然很少與自身及其他物質有除了引力之外的相互作用,否則我們就會觀測到光輻射及其他粒子的相互作用。 由於暗物質幾乎只與引力相互作用,它有一些神奇的特性。 一團熾熱的星雲會以輻射光的形式散失能量,並逐漸冷卻,而一團足夠大、足夠冷的星雲會在引力的作用下塌縮,並形成恆星。 但是與之相對的,暗物質並不會以輻射光的形式損失能量。 因此,普通物質會塌縮成高密度的星體,而暗物質則保持相對彌散。 這解釋了一個明顯的矛盾,爲何宇宙中的暗物質雖多,但是太陽系中的暗物質僅僅如同九牛一毛。 由於暗物質幾乎只受引力影響,其運動也較易於建模分析、模擬。 自二十世紀七十年代起,我們就得到了關於計算暗物質結構數量的方程式。 巧合的是,這個方程式也預測了宇宙中超大星系與星系團的數量。 不僅如此,關於暗物質的模擬也描述了宇宙結構的發展。 暗物質模型不僅符合數據,更有對於宇宙事實的預測能力。 但是,暗物質理論是否有其他可能性呢? 我們由引力推理出了它的存在,但是如果我們對引力的理解就是錯誤的呢? 例如,遠距離上的引力或許比我們想象的更強? 有許多種意圖替代暗物質的引力理論已經被提出, 其中最爲著名的例子是莫德財·米爾格若姆提出的引力理論修正學說。 隨之而來的問題是,我們該如何分辨暗物質與普通物質的引力帶來的影響? 或許,就從引力是一種犀利入手。 如果暗物質並不存在,那麼引力就會朝向傳統物質。 反之,如果暗物質佔據主導地位,引力則會指向暗物質。 所以,找到正確的理論會很輕鬆,不是嗎? 可惜的是,暗物質與普通物質大體上環繞彼此,難以分辨引力中心。 但是,宇宙中仍有不少例外可供我們利用。 當星系團高速相撞時,多組氣體雲與暗物質相碰撞, 氣體碰撞並聚攏爲一體,而暗物質仍在引力影響下運動。 我們應當如何計算相互碰撞的星系團中引力的影響呢? 由於引力不僅作用於物質,也會對光造成相應的影響, 我們可以利用變性的星系影像來追蹤引力。 在碰撞的星系團中,引力的中心指向暗物質理論中所在的位置, 而不是普通物質。 暗物質的影響不僅侷限於今天,更可追溯至大爆炸時期。 作爲大爆炸的餘暉, 宇宙背景微波輻射充斥在整個宇宙空間中。 在這個龐大的火球中, 我們可以看到聲波在等離子體中傳播所帶來的能量的聯誼。 這些聲波來自於早期宇宙中引力、壓力與溫度的共同作用。 暗物質對引力有貢獻, 但是卻不像普通物質一樣參與有關壓力與溫度的反應。 所以,聲波的強度決定於普通物質與暗物質的比例。 與理論預測的結果相似, 天文望遠鏡與天文衛星的觀測證實了宇宙中暗物質的量多於物質。 所以,關於暗物質假說的討論已然塵埃落定。 暗物質的正確性毋庸質疑了嗎? 大多數天文學家認爲, 暗物質是目前許多宇宙現象最爲簡潔與合理的解釋。 儘管最簡單的暗物質模型還有許多問題, 例如銀河系衛星星系的實際數量與預測不符, 但是這些問題都是暗物質模型值得討論、改進的方向, 而非致命的缺陷。 不論如何,我們仍未成功直接檢測到暗物質。 這並不會太困擾我, 因爲物理學中同樣有歷經數十年才得以直接檢測的例子。 或許當二十年後,我們仍未直接檢測到暗物質的時候, 我會對這個理論感到擔憂。 不過,當下,我願意爲暗物質的存在下注。