宇宙學家的“狂妄和自負”
芝加哥大學的MichaelS.Turner曾經這樣說，宇宙學家往往是狂妄自大的，因為他們相信自己能夠確定宇宙是怎么起源，怎么演化並且知道最終的結局是什麼。Turner接著說，作為宇宙學家，他必須為這種自負來辯解，因為沒有這種自負，宇宙學家們就不可能去承擔看似不可能完成的任務：理解我們的宇宙。
今天讀了他和芝加哥大學的另外一位宇宙學家DraganHuterer的文章《CosmicAcceleration,DarkEnergyandFundamentalPhysics(arXiv:0706.2186v2[astro-ph])。這篇文章並不是解決暗能量中的某個具體問題，而是對宇宙加速，暗能量和基本物理之間的整體思考，以及對暗能量前生後世的回顧展望。其中有兩句話比較有感觸，先拎出來：第一句話是ArthurEddington說的,“Itis(also)agoodrulenottoputtoomuchconfidenceinobservationalresultsuntiltheyareconfirmedbytheory”.我們說物理學是一門以實驗為基礎的學科，一切由實驗中來，最終還要回到實驗中，但是這不是說要我們唯現象論，除非觀測結果被理論解釋證實了，否則就不要對觀測結果抱太多的信心，這讓我想起張啟仁教授前不久來物理系做報告時也說過類似的話。他在回答一個博士關於超光速的問題時說的（大意），我們要對觀測的結果慎之又慎，脫離理論解釋的實驗結果和脫離實驗驗證的理論都是不對的，不要一有了所謂新的結果就去宣稱發現了新物理，要去理解。第二句是接著第一句說的，還是差不多意思：“scienceisnotjustacollectionoffacts,itisalsounderstanding;iftheunderstandingdoesnoteventuallyfollownewfacts,perhapsthereissomethingwrongwiththefacts”。
現把這篇文章的大意整理如下，也算是自己對這篇文章做的讀書筆記，加深點對宇宙學的理解。
三色夸克-內部結構模型圖1.夸克與宇宙：20世紀的最後25年物理學中產生了兩個非常成功的數學模型來描述宇宙的兩個極端：最大和最小。粒子物理的標準模型能解釋微觀世界的的幾乎所有實驗現象，而標準的熱大爆炸模型則具體描述了宇宙從剛開始的若干分之幾秒，當時宇宙還是一鍋基本粒子的熱湯，到現在的充滿了恆星、行星、星系，星系團的年齡為137億年的宇宙。這兩個標準模型都和大量精確的觀測數據相符，如高能粒子加速器，望遠鏡和實驗室的實驗。粒子物理和熱大爆炸的標準模型無疑可列為20世紀最重要的成就之中。當然，這兩個模型都還有各自的問題。而且，不管是在問題還是在最終的答案中，關係最大和最小的“Bigquestions”都是相互聯繫的。這顯示最終的更深理解將揭示更多的關於夸克（最小）和宇宙（最大）的聯繫。這些“Bigquestions”包括：
三代夸克-內部結構模型圖1)自然界的力和粒子是怎樣統一的？
2)宇宙、時空的起源是什麼？
3)量子論和廣義相對論之間如何調和？
4)宇宙中的重子物質是如何出現的？
5)宇宙的命運如何？
6)使宇宙結合在一起的暗物質（darkmatter,DM）和使宇宙加速膨脹的暗能量（darkenergy，DE）的本質是什麼？
暗物質和暗能量包圍的宇宙模型圖最後一個問題說明了夸克和宇宙之間的豐富聯繫：組成宇宙的物質和能量中96％仍然是我們還未知的形式，他們的存在至關重要，也決定了他們自身的命運。暗物質和暗能量也是最具體而且也可能是最重要的證據來顯示超越標準粒子模型的新物理。
對暗物質問題的解釋似乎快要解決：我們已經有了一個廣為接受的假設，那就是存在從大爆炸遺留下來的穩定的基本粒子,他們充當著暗物質。我們知道暗物質的一小部分是massiveneutrinos，剩下來的暗物質也有兩個很好的候選者：axion和neutralino，而且有實驗的計畫來檢測整個粒子暗物質的假設。
對於宇宙加速和暗能量情況則大不相同。我們有足夠的證據表明宇宙的加速膨脹，但是我們離對宇宙加速的真正理解還相當遙遠，目前也沒有一個廣為接受的暗能量模型。問題的答案也許就在眼前，也可能遠在天邊！
2．宇宙加速的證據
A.宇宙學的基本知識：由愛因斯坦創立的現代宇宙學假定宇宙在大尺度上（現在而言應該是大於100Mpc的星系分布）分布均勻且各項同性，宇宙的膨脹簡單的由一個單一的函式來描述：標度因子R（t），…….(略)
B.Lambda（宇宙學常數）多變坎坷的歷史：Tuner原文略，關於宇宙學常數的歷史有很多文章回顧，沒有必要再來翻譯他們的了。總的說來，自從愛因斯坦為了得到靜態宇宙解而引入宇宙學常數以來，宇宙學常數經歷了四起三落的坎坷命運，而且就目前來看宇宙學常數的幸福還不知在哪裡。當然有一點可以肯定，就是物理學家再也不會像過去那樣輕易對宇宙學常數呼來呵去了。不管未來怎樣發展，宇宙學常數問題都不是一個能隨便忽視的問題。宇宙學常數對理論宇宙學家可謂是愛恨情愁，別有一番滋味在心頭！
C.發現和證實：
A).Riessetal和S.Perlmutteretal小組在上世紀90中後期分別獨立的發現遙遠距離的SNe超新星比在一個減速膨脹的宇宙中看來要暗一些，從而表明宇宙在過去的大約5Gyr前開始加速膨脹。對宇宙物質和宇宙學常數的分析，他們的結果顯示在99％的可信度裡面宇宙學常數大於0。由於這些工作，這兩個小組，以及其他的group又發現和研究了更多的SNe超新星。新的數據逼近證實了加速膨脹的發現，而且還支持對暗能量的態參數的測量，對隨時間演化的態參數也能給出參數化的限制。特別重要的是對於紅移z大於1的超新星觀測顯示，宇宙在早些時候是減速膨脹的，這說明暗能量開始主導宇宙是發生在最近的事情，大約在紅移z等於0.5的時候。這個發現其實也是被現實所證實的：沒有一個物質主導的緩慢膨脹的過程，宇宙不能形成我們今天所看到的結構。暗能量的存在的證據還來自其它幾個獨立的觀測。B).對星系團中X－ray發射氣體質量對整個質量的比值f_gas的測量同樣也表明了暗能量的存在。因為星系團是宇宙中最大的塌縮物體，他們中的氣體組分假設是常數並且等於宇宙中的所有重子組分Omega_b/Omega_m（星系團中的大部分重子都在氣體中）。對氣體組分f_gas的測量不僅依靠觀測到的X－ray的流量，而且也決定於星系團的距離，因此，只有在正確的宇宙模型中這個距離才能使得f_gas隨著紅移的演化是常數。利用ChandraX－rayObservatory的數據，Allen等人在＋/0.2的精度上定出了暗能量組分Omega_Lambda的值。
C).宇宙微波背景（CMB）的記錄了早期宇宙的印記，這就是在宇宙結構形成之前光子退耦的時候，那時紅移z約等於100。引力所驅動的光子－重子振盪所產生的聲學峰決定了多級功率譜。聲學峰的位置和振幅包含了許多宇宙早期和現在的信息。它們顯示宇宙空間是平坦的，物質能量密度只占整個臨界密度的四分之一左右，但是均勻分布的壓強為負的且能量密度占剩下四分之三的物質的存在卻使得一切問題都和觀測符合的很好，如CMB數據和宇宙中星系的大尺度分布。WMAP所提供的CMB數據以及數字巡天計畫（SloanDigitalSkySurvey,SDSS）所提供的大尺度結構數據告訴我們宇宙的總能量密度組分Omega_t為1.003+/-0.010,其中物質占0.24+/-0.02，重子物質占0.042+/-0.002，暗能量占0.76+/-0.02。
D.暗能量的存在會影響CMB大角度上的各向異性並且會導致CMB各向異性與星系分布之間會有一個小的相關性的預言。這一微妙的作用已經被觀測到了。沒有觀測到比預言更大的相關性，這可以看成是又一個對暗能量存在的獨立證據
E.CMB各向異性上的重子聲學振盪（Baryonacousticoscillations，BAO）非常顯著，它在星系的結團上留下了更小的特徵信號能夠在今天被觀測到，這提供了另一個獨立的對暗能量幾何探測。儘管這個測量本身不能證實暗能量的存在，但是卻它可作為其它探測的一個重要補充。
F.弱引力透鏡效應，光線通過大尺度結構時由於引力透鏡的作用而引起的星系像的小的扭曲變形，是一個非常有用的技術來勾畫暗物質以及它的結團。當前，暗能量存在對弱引力透鏡效應的影響主要在於壓低了Sigma_8（Sigma_8istheamplitudeofmassfluctuationsonthe8Mpcscale）的值,這使得Omega_m的值大約為0.25，這和暗能量主導的空間平坦的宇宙是相符的。將來弱引力透鏡可以用來探測暗能量的態參數w。
G.因為宇宙的年齡依賴於宇宙的膨脹歷史，這樣和其它獨立的宇宙年齡的探測就可以用來決定暗能量。對球狀星系團中最古老星星的測量顯示宇宙的年齡在110億年到150億年之間（顯然宇宙的年齡必須大於宇宙中最古老的星的年齡，也就是觀測到的最古老星的年齡是宇宙年齡的下限）。CMB的各向異性對宇宙年齡非常敏感，WMAP數據給出的宇宙年齡為138.4億年。分析還顯示如果w在－2到－0.75之間，則宇宙的年齡就和觀測比較相符，如此，對宇宙年齡的測量也證實了關於暗能量的另一個重要特徵：大的負壓強。
3．理解加速膨脹：Eddington說過：在實驗觀測數據沒有被理論證實之前不要對它抱有太大的希望，這觀點看來有點荒謬，或者被看作是理論家們的狂妄。其實這觀點很好理解：科學不僅是事實的收集，更重要的是對它的理解，如果理解最終不能和新事實相符，那很可能是事實本身可能有問題。
宇宙的加速膨脹現象符合Eddington的標準，並且同時提供給理論學家們一個絕好的機會：GR（廣義相對論）可以容納一個加速膨脹的宇宙，，但是GR還需要給出對這一現象更深的理解。在GR中，一個彈性的流體有反引力，如果量足夠多，可以導致觀測上的加速膨脹，這也就是暗能量的定義：一種彈性的，均勻的使得宇宙加速膨脹的神秘的能量形式，它的態參數在－1附近。理論上關於宇宙加速膨脹和暗能量的解釋有：
A.真空能：所有的量子場論都有真空零點能，微小的真空起伏，數學上等價於宇宙學常數。但是對真空能的計算卻都導致發散的結果，即使在能標上有個截斷（cutoff）後所計算得到的值，也和我們所需要的值相差十萬八千里的不知多少倍。考慮超對稱理論，如果超對稱不破缺，則fermionic和bosonic的零點能的貢獻可以相互抵消從而真空能為零。但是如果超對稱破缺的話，那么兩類超對稱粒子零點能不完全抵消後的貢獻仍然比我們需要的大50～60個數量級。有一個解決宇宙學常數問題的idea，那就是認為真空能是一個可以隨機取值的變數，隨著宇宙中沒有聯繫的區域的不同而取不同的值。如果存在一個比我們現在能解釋加速膨脹還要大的宇宙學常數，則這樣的宇宙中星系不能形成，也就不會存在“我們”來觀測到這樣的加速膨脹宇宙了，這其實就是人擇原理，可以來自弦理論的landscapeversion中
B.標量場：這也是目前研究非常多的暗能量候選者，這相當於引入一個新的動力學自由度，但是引入標量場並不能解決已經存在的宇宙學常數問題。籠統的標量場模型其實包含很多不同的模型：最簡單的是正則標量場模型（quintessence），還有非正則標量場模型，非正則標量模型裡面又有許多不同的形式，如tachyon，BI。phantom也可以看作是它的一種。還有多個標量場模型，如果考慮標量場和其它物質的耦合的話，還有耦合標量場模型。標量場模型是通過場在一個平坦勢中的慢滾來導致宇宙的加速膨脹。為了場滾動的足夠慢，標量場的質量必須非常輕（m<10^(-42)Gev）。為了和對新的長程力的探測結果吻合，這個標量場和物質的耦合也必須非常弱。和真空能不一樣，標量場能量可以在引力下集結，但是這只能發生在最大尺度上而且幅度也非常小。標量場的w可以在－1到1之間，也可以小於－1。標量場模型也帶來了新的問題和可能性：宇宙加速和早期的暴漲有聯繫嗎？暗能量和暗物質、中微子質量有聯繫嗎？儘管有不少有趣的建議，目前還沒有一個廣為接受的結論。
標量場還以另外一個完全不同的形式也可以解釋宇宙的加速膨脹。由破缺規範理論產生的拓撲的孤立子，如strings，walls和textures等，它們都是彈性的，在大尺度上的行為表現為彈性的介質（w＝－N/3，N＝1forstring，2forwallsand3fortextures），不過此時的w是常數。
C.修改引力理論（Modifiedgravity）：宇宙的加速膨脹也可能是暗示存在新的引力理論而非存在暗能量。這樣的改變在兩個地方顯現：一是宇宙背景時空的演化由新的Friedmann方程描述，二是物質擾動的演化方程需要修改。有許多這方面的嘗試，如在高維理論和弦理論中的宇宙學，以及一般的修改引力作用量。當然為了不廢棄標準宇宙學關於宇宙早期演化的成果（從大爆炸核合成到CMB各向異性再到結構形成），修改後的Friedmann方程在紅移z遠遠大於1的時候要能回到標準的GR框架下。
4．對暗能量本質的展望：對暗能量的探測可以分為三大類：運動學的（kinematical），動力學的（dynamical），實驗室/天文探測。運動學上的探測是對宇宙學距離的測量來得到對宇宙標度因子的演化，對宇宙學模型的背景的限制，這些探測包括Ia型SNe，CMB以及重子聲學振盪。動力學上的探測在於探測宇宙學模型的擾動（perturbation），如對最終導致宇宙結構形成的物質密度中的小的不均勻性的演化的測量。特別如利用引力透鏡效應直接決定暗物質中結構的演化，還可以通過對星系團豐度的增長的研究來間接探測結構的增長。另一個潛在的可以探測暗能量的方法，現在看來還不能達到的，就是研究暗能量本身的集結。由於真空能是不會集結的，所以探測到這種集結可以排除真空能作為宇宙加速膨脹解釋的可能性。運動學上和動力學上的對暗能量的探測互為補充：整個宇宙的演化（kinematical）和擾動的演化（dynamical）。這兩種方法在一起就可以用來檢測基本引力理論是否自洽了。比如從這兩種方法得到的暗能量的態參數w的值如果不一樣的話，就說明了基本引力理論本身不自洽。
對於暗能量的探測主要是宇宙學上的，實驗室實驗則可能在基本物理上得到。如果暗能量和物質耦合，則原則上就可以觀測到新的長程力，如果它和電磁場耦合，則從遙遠天體來的極化光其極化方向就會鏇轉。如果存在暗能量，在加速器實驗上也會有所反映，比如，一旦超對稱的證據在LHC（LargerHadronCollider）被發現，則對超對稱如何破缺的理解會有利於我們理解真空能之謎。
今天的觀測已經給出了暗能量存在的證據並且開始探測它的本質，也就是對它的狀態參數的限制（w～－1）。將來的實驗將集中在確定它是不是真空能、暗能量能不能在GR中被容納。SNAP（Supernova/SccelerationProbe），一個基於空間望遠鏡來收集幾千個紅移達到2的計畫，將能夠極大的減少暗能量參數的不確定性。SNAP和一個基於地面的寬場巡視計畫（DarkEnergySurvey，DES），以及LSST計畫（LargeSynopticSurveyTelescope）一起，能夠map來自最大可觀測尺度的弱引力透鏡信號，並且可精確確定暗能量對結構成長的影響。LargeBAO測量也已經計畫好，從地面和空間兩個方面著手。通過對星系團豐度演化的探測，剛剛完成的南極望遠鏡（SouthPoleTelescope，SPT）和AtacamaCosmologyTelescope（ACT）將很快用來研究暗能量。2008年，ESA的Planck衛星將發射，用來探測在更高精度上測量CMB，預計可以測量到l～3000，能夠更加精確的確定物質密度，提供重要的對其它暗能量測量的限制。
5．暗能量及宇宙的命運：人們首先從現代宇宙學中知道的事情之一就是幾何決定命運，對於宇宙學常數為零的宇宙中，閉宇宙最終要重新塌縮，平坦和開宇宙會一直膨脹。暗能量的存在提供了新的可能。由於暗能量是隨時間演化的，宇宙的未來是不確定的，它依賴於對暗能量的理解。如果暗能量是真空能，則宇宙將繼續加速膨脹，而且到最後為e指數膨脹，最終不可避免的導致一個黑暗的宇宙。如果暗能量是由標量場充當的，那么宇宙的命運將取決於標量場勢的最小值。如果最小值為零，則最終宇宙還會變成物質主導，重新進入減速膨脹。如果最小值大於零，不管它多小，最終的宇宙演化仍然是加速的。如果勢的最小值為負，則宇宙的演化會大不相同，宇宙膨脹到一定的時候會重新收縮並最終塌縮。沒有暗能量的宇宙幾何和命運是相連的，暗能量的出現切斷了這樣聯繫，宇宙的最終命運在於對暗能量的理解。
最後一段是Summary，意思和正文差不多，總結了一下而已，就不說了。
