“宇宙怪物”如何被发现
本报记者 张星海
2003年底，美国《科学》杂志评出了十大科学成就。证实暗物质和暗能量存在，被评为2003年十大科学成就之首。该杂志称，来自威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和斯隆数字巡天（SDSS）观测计划得到的信息，证实了宇宙暗物质存在，同时发现，这些暗物质也一直受到暗能量的作用。WMAP还拍摄到了迄今有关宇宙背景辐射最详细的图像。通过分析这些图像，研究人员最终确认，宇宙由23％的暗物质、73％的暗能量、4％的普通物质组成。
原来，宇宙中不仅存在着我们可以看到的各种天体，还存在着我们所看不见的物质和能量，这些“宇宙怪物”是如何发现？记者就此事采访了中科院高能物理所张新民研究员、李明哲博士和国家天文台赵永恒研究员。
WMAP和SDSS
证实暗物质存在
记者：我们先从探测器谈起，《科学》杂志称：“2003年2月，威尔金森微波各向异性探测器拍摄到了宇宙婴儿期的照片，那时的宇宙诞生还不到40万年。”那么这个探测器是哪个国家的制造的？它为什么能拍摄到了宇宙婴儿期的照片？
李明哲：威尔金森微波各向异性探测器是美国国家航空航天局发射的。它以前所未有的精度全天区地测量了宇宙微波背景辐射的温度。这副精心绘制的关于温度的地图（如图）就是一张宇宙婴儿期的照片。其中的颜色变化代表温度的涨落，红色表示较热的区域而蓝色表示较冷的区域。为了展示整个天区的图像，它被投影成椭圆形状；就像地球仪也能被投影成一个椭圆一样。这张照片所捕获的微波光子是从大爆炸后379,000年，也就是137亿年以前发出来的；它相当于拍摄了一个80岁的老人在他出生那一天的照片。
记者：《科学》杂志称，另一项名为斯隆数字巡天（SDSS）的计划也同样证实了暗物质的存在。那么，斯隆数字巡天的计划是怎么一会事？它是怎样得到同样的结论？
赵永恒：SDSS是美国、日本和德国的八个大学和研究所的合作项目。该项目计划进行成像巡天和光谱巡天的观测，所获得的观测资料将被用于研究宇宙的大尺度结构、星系的形成与演化等天体物理学的重大前沿课题。
SDSS的主要任务是通过光谱巡天来确定宇宙的大尺度结构，其方法是对一百万个星系进行光谱观测，有了星系光谱就能得到星系的红移，根据红移就有可以确定星系的距离，由此可以得到星系在宇宙中的三维分布，从而可以研究宇宙的结构和星系的演化等问题。
由于SDSS观测星系光谱的数目比以前多了十倍，因此可以更加精确地揭示出宇宙中的结构。同时，通过SDSS的光谱巡天，不但可以了解星系和类星体在空间上的分布，而且可以了解它们在时间上的演化。
SDSS的巡天虽然还在进行中，但已经取得了一批非常激动人心的结果。SDSS探测到了星系的微引力透镜效应，由此可以确定星系中的总质量和物质分布情况。在巡天过程中，它发现了数万个新的类星体和一种新型的类星体。确定了银河系内上百个遥远恒星的距离，显示了银河系曾经吞并近邻小星系的证据，从而改变了银河系结构的理论模型。在几个月前，SDSS的科学家研究了25万个星系的空间分布，发现无论是否考虑WMAP的数据，均可得出相同的结论，即宇宙的主要组成部分是暗能量和暗物质。
我们国家当前正在建设中的“大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜”（LAMOST）项目，是一项国家重大科学工程。在LAMOST建成后，将对一千万个星系、一百万个类星体和一千万个恒星进行光谱观测，这要比SDSS计划所观测的星系和类星体的数目多十倍。由此我们可以预计，LAMOST将会以更高精度的方式来确定宇宙的组成和结构，从而使人类对暗能量和暗物质有更加深刻的认识。
暗物质不发光
暗能量有负压
记者：什么是暗物质？什么是暗能量？人类是怎样知道它们的？在我们的现实生活中它们存在吗？
张新民：从物质基本结构的观点出发，普通的物质，如树、桌子以及我们人类本身，是由分子、原子构成的。然而分子、原子不是最基本的，目前已知的基本粒子是由粒子物理标准模型所描述的夸克和轻子以及传递相互作用的规范玻色子。
什么是暗物质呢？暗物质是不发光的，但是它有显著的引力效应，能够与普通物质成团形成星系。从引力我们可以感觉到它的存在。比如，对于一个星系考虑距其中心非常遥远的某一恒星的旋转速度。由牛顿引力定律可知，距离中心越远，速度应该越小。可是天文观测事实不是这样的。这就说明当中有看不见的暗物质。目前各种天文观测和结构形成理论强有力地表明宇宙中有大约三分之一是暗物质。
中微子是一种暗物质粒子，但WMAP和SDSS的结果说明，它的质量应当非常小，在暗物质中只能占微小的比例，绝大部分应是所谓的冷暗物质。它们究竟是什么目前还不清楚。理论物理学家猜测，至少有两种可能性，一个是轴子，另一个是中性伴随子。
轴子是由罗伯特·派切和海伦·奎因为解决强相互作用中的电荷宇称破坏问题而引进的。中性伴随子是超对称理论中的最轻的超对称伴子，它是稳定的，在宇宙演化过程中像微波背景光子一样被遗留下来。目前世界各国科学家正在进行着各种加速器和非加速器实验，试图找到这种暗物质粒子。
暗能量是近年宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果，支持暗能量的主要证据首先来自于对遥远超新星所进行的观测，其结果表明宇宙不仅在膨胀，而且与想像中的不一样，在加速膨胀。暗能量的基本特征是具有负压，在宇宙空间中非常均匀地分布且不结团。那么，什么是暗能量呢？一种可能性是真空的能量。这种能量在日常生活和科学实验中是感觉不到的，但它却主宰着宇宙的演化和命运。真空能量有多少呢？现有的理论计算表明它比WMAP和SDSS观测值大很多倍，这种理论与实验的冲突对当今物理学提出了严峻的挑战。目前科学家们认为暗能量也可能是一种叫做精髓（Quintessence）的动力学场。检验这一理论是近年宇宙学研究的一大重点。
宇宙的平坦性是
暗能量另一证据
记者：《科学》杂志称：“宇宙正在以71公里每秒每百万秒差距的速率膨胀，且它的“形状”是“平坦”的。”这一结论是如何得出的？
李明哲：宇宙的几何结构大致分为三类，闭合的、开放的和平坦的。WMAP和SDSS的结果表明，宇宙具有最简单的形状——它是平坦的。由爱因斯坦的引力理论可知，宇宙的几何性质应由其内部的总质量和总能量决定。由于普通物质和暗物质加起来只占1/3，平坦性说明宇宙中的总物质应有2/3的短缺。这是暗能量存在的另一个重要证据。平坦性这一结果可以通过WMAP直接测量微波背景辐射角功率谱的第一峰的位置而得知。“宇宙正在以71公里每秒每百万秒差距的速率膨胀”是指哈勃常数值，它是宇宙学中的一个重要参数。
暗能量的本质
决定宇宙命运
记者：科学家对暗物质和暗能量的被证实评价很高。称其“或许是科学家最终解开万物起源之谜的一个新起点”，“这些精确测量推动了宇宙学的研究进入一个黄金时代，其发现冲击着旧的宇宙观。”这里的旧宇宙观是什么样的？新的又有什么不同？为什么说暗能量的本质决定着宇宙的命运？
张新民：WMAP和SDSS的特点是测量的精确性，这是以前没有的。这是今天的宇宙学研究成为一门科学的基础。众所周知，所有科学是建立在实验的基础之上的。一个理论如果得不到实验上的证实将不是一个正确的理论。WMAP和SDSS的结果强有力的支持了暗能量暗物质为主的宇宙暴涨模型。
WMAP和SDSS告诉我们构成我们宇宙的物质中96％是暗的，这需要我们进行新的思考。这些“暗的”到底是什么？正是这些高精度的观测和实验带来的新问题推动着宇宙学进入了一个黄金时代。
研究这些新的问题需要将粒子物理描述的微观世界与宇宙学描述的宇观世界结合起来。这一极大与极小的联系是一个新的特点。实际上，我们不仅对暗物质和暗能量不清楚，而且对4％的普通物质是如何产生和演化的也是不清楚的。
为什么这样讲呢？七十多年前，理论物理学家狄拉克告诉我们每个粒子都有其对应的反粒子，比如说电子的反粒子是正电子，质子的反粒子是反质子。但是至今在宇宙空间还没有找到由反粒子构成的反物质，那么反物质到哪里去了？这需要在宇宙早期存在一定的正反物质不对称。有一种说法是这种不对称与中微子有关。为什么宇宙中的物质没有与反物质完全湮灭掉，而让树、桌子以及我们人类本身存在至今是由中微子的性质如电荷宇称破坏量来决定的。这是一个极大与极小相关联的例子。
我们说，暗能量的本质是决定着宇宙的命运。是因为当暗能量为零时，空间曲率k决定着不同的宇宙演化行为。闭合的宇宙（k>0）最终会塌缩，而平坦的（k=0）和开放的（k<0）宇宙将会一直膨胀下去。然而，当暗能量存在时，宇宙的演化行为将是不同的，比如一个闭合的宇宙可以永远膨胀下去。然而目前已知的理论都不能解释暗能量，而且存在着灾难性的宇宙学常数问题。解决这一问题需要新的理论，这样的理论一旦被找到，很可能是人们长期追求的包括引力在内的各种相互作用统一的量子理论。这将是一场重大的物理学革命。