互动科普

自然界中有一些现象，就象魔法一样神秘，不断引发人们的注目和惊奇。爱因斯坦曾回忆起他5岁时收到的一件生日礼物：一个小小的指北针。无论他怎样转动指北针，总有一种神秘的力量使它指向北方。正是这种奇妙的现象，在幼小的爱因斯坦的心灵中刻下了对大自然的好奇，驱使他去寻找对大自然秘密的解答。

当然，随着科学的发展，许多自然界的魔法已经被人类破解而不再神秘了。比如，曾让小爱因斯坦着迷的指北针，人类早已知道它是被磁力所驱动。就在小爱因斯坦出生的那一年（1879年），英国物理学家麦克斯韦去世了。他曾写出了一组让他名垂青史的方程，完美地描述了电场和磁场的行为。这一方程显示，变动的电磁场象波一样在真空中传播，其速度恰好等于当时人们测到的光速。这也就提示人们，光其实就是一种电磁波。理解了电磁场秘密的发明家们开动脑筋，电报、电灯、电话、无线电、广播、电视、电脑等种种运用电磁学原理的发明彻底改变了人类的生活，我们今天已很难想象没有电该如何生活了。

人们一度以为，有了麦克斯韦以及他之前的牛顿所写出的方程，我们差不多已经掌握了这个世界最根本的秘密了。然而，有两个基础的物理实验结果却很难解释，这就是以太漂移问题和黑体辐射问题。形象地说，物理学的天空还漂浮着两朵乌云，它们又暗示着新的神秘力量。出人意料的是，这两朵乌云最后竟导致了新的科学革命。爱因斯坦是这一场革命的领袖：正是他对时间空间的深邃思索，使我们超越了传统的经典物理学，而代之以相对论和量子力学。

在相对论和量子力学的基础上，物理学家们又统一了电磁相互作用和弱相互作用，还发展了强相互作用的量子色动力学理论。这一粒子物理的标准模型理论，虽然离爱因斯坦所曾梦想的“统一描述所有物理规律的终极理论”还有一段距离，但大自然的大部分魔法似乎又已被我们解开了。然而，大自然再次为我们准备了神奇的礼物，天文学观测表明，粒子物理标准模型所能解释的物质，不超过宇宙总密度的5％。两朵新的乌云出现了，这就是暗物质和暗能量，分别约占宇宙总密度的23％和73％。

这其中，暗能量的存在尤其令人惊异。我们已经习惯了物质的“万有引力”，根据爱因斯坦的广义相对论，引力是通过时空的弯曲实现的，这种效应也会使宇宙的膨胀减速。但是天文学的观测表明宇宙正在发生加速膨胀，这显示了宇宙尺度上的“斥力”，或者说时空朝另一个方向弯曲，而这要求宇宙中充斥着一种新的、难以直接观测且性质不同于我们一般所说的物质的东西。在相对论中影响时空弯曲的是能量-动量密度，因此美国科学家特纳（M. Turner）将其命名为暗能量，这一充满了神秘感的命名，不仅很好地总结了它的特点，也更激发了我们对自然的好奇和想象。一种实现“反方向”时空弯曲的方式，就是让“暗能量”具有负的“动量密度”。对一般流体来说，动量密度就是“压强”。不过，暗能量的“压强”与一般流体的压强不同，它主要是作用在其自身上，而它与一般物质的相互作用必须十分微弱，否则我们就比较容易探测到它，也就不能称之为“暗”能量了。

十几年过去了，就是在今天，暗能量对科学家们来说，依然像它刚刚被提出时一样神秘。要真正认识一种自然力，需要好好地观测自然。在牛顿提出引力理论之前，开普勒等天文学家总结了行星运动的规律；在麦克斯韦写出他的方程之前，法拉第等许多科学家也已发现了很多电磁现象的规律。今天，天文学家们正在进行一系列前所未有的大规模、高精度观测，以揭示暗能量的性质。相信终有一天，我们将会解开大自然的这个魔法。

陈学雷，博士，研究员，博士生导师。1999年美国哥伦比亚大学物理系博士毕业，现为国家天文台宇宙暗物质与暗能量研究团组首席科学家，入选中国科学院百人计划，获得国家杰出青年科学基金，主持“863”项目一项，已发表研究论文60余篇。

（本文发表于《科学世界》2013年第1期）