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暗能量之谜
近些年，在物理学上有些事情是比较棘手的，比如暗能量。
我们认识暗能量已经有一些年头了。1998年，天文学家在观察遥远的超新星时，发现它们比预期的要暗。在一个还在膨胀的宇宙中，虽然随着超新星和我们的距离在增加，它们的亮度注定是要衰减的，但它们还是暗得太快了一点。这只能用宇宙膨胀在加速来解释。
必定存在一种神秘的东西，是它踩了宇宙加速膨胀的“油门”。科学家把这种未知的东西叫做暗能量。暗能量大约占了宇宙总量的三分之二。根据近年来的观测显示，它应该均匀地分布在整个宇宙，其能量密度仅相当于每立方米6个质子的质量。搞清暗能量是什么，是当前物理学上的最大课题之一。
对于物理学家来说，最简单的办法是把暗能量解释为真空能。因为他们很早就知道，根据量子力学，真空中充满着各种此起彼伏的量子场，因此真空也是有能量的。但随后的计算却表明，真空能要比暗能量大差不多120个量级。这么大的差距，当然是无法接受的。
遇到这种情况，许多人就放弃这种设想了。但依然有不少人在顽强地通过修正理论来缩小这个距离。最近有人声称，暗能量并非宇宙中某个真实存在的实体，它仅仅是物理学家们在记录宇宙能量收支平衡时，之前被他们忽视了的某种东西。
但要理解这一点，不得不假设：我们通常意义上理解的能量守恒，不是任何情况下都成立的。
对能量守恒的质疑
这个假设可谓石破天惊。你不妨想一想，科学上定律、原理那么多，可是有哪一条比能量守恒定律更根本、更颠扑不破呢？事实上，能量守恒不仅通过了无数次实验的检验（见拓展阅读“能量守恒为我们做过些什么？”），还跟物理学上最基本的一个对称联系在一起。
早在20世纪初，数学家艾米丽·诺特就已证明，物理定律的每一种对称性，都对应一条守恒定律。例如，空间平移对称性导致动量守恒定律，时间平移对称性导致能量守恒定律。时间（空间）平移对称，通俗地说，就是物理规律不随时间（空间）的变化而变化。比如众所周知，没有哪条物理定律的有效性会有一个截止日期。
不过，对能量守恒的质疑也并非今日始。之前物理学家就从微观和宏观两方面提出过质疑。
就微观方面来说，量子理论认为，真空并非真的空无一物，里面其实充满了许多虚粒子；这些虚粒子可以从真空中暂时借得一部分能量，以获得“肉身”，旋即湮灭，又把能量归还真空。虽然从大的时间尺度来看，能量似乎还守恒，但从非常小的时间尺度来看，能量守恒显然被破坏掉了。
就宏观方面来说，广义相对论告诉我们，光在强引力场中传播时，波长会被拉长，此即引力红移。但是我们知道，光子的能量跟波长成反比，波长变长，岂不意味着光子的能量下降？可是，光在真空中传播，并没有什么东西偷走能量呀？所以在这里，能量守恒也被破坏了。
物质和时空如何交换能量？
不过，物理学家又说，这一切都只是表面现象。能量之所以不守恒，是因为我们之前对能量的理解太狭隘。在来自微观方面的质疑中，因为真空也是有能量的，一旦考虑真空能，总能量还是守恒的。在来自宏观方面的质疑中，广义相对论早就告诉我们，当时空被弯曲或平摊开来的时候，能量就会被吸收或者释放出来。所以，发生红移的光子，损失的能量必定是被弯曲的时空吸收了。一旦计及它周围时空的能量变化，总能量也还是守恒的。
这么一来，似乎又无话可说了。不过，能量在物质之间相互交换，是好理解的，但它是如何在物质和时空之间交换的呢？譬如发生红移的光子，是如何把自身的能量传递给周围时空的？
法国物理学家希伯特·罗赛特试图来解决这一问题。他认为，秘密或许就藏在广义相对论和量子力學交叉的地方。
这个既涉及广义相对论，又涉及量子力学的地方，本应以统一的量子引力理论为奥援，可惜该理论至今付之阙如。一个重要原因是，量子力学和相对论的时空观，有着巨大的差异。相对论认为，时间和空间都是连续的、平滑的；然而量子力学却认为，万物都是分立的、一份一份的，倘若深究下去，甚至连时空本身也是如此。
我们迄今描述物理现象，都假设时空是光滑的、连续的。相对论告诉我们，任何一个有质量的物体，甚至一个微观粒子，都会让它周围的时空发生扭曲，扭曲程度依它的质量而定（比如，黑洞把它所在的空间就扭曲成了一个漏斗形）。但倘若时空真是颗粒状的，当然对置身其中的物体会产生影响。就好比一个铁球，在一块厚毯子上滚动，从远处看，它滚到哪儿，哪儿就陷下去，但从近距离看，你会发现毯子表面并非光滑，而是由一根根直竖的、蜷曲的细毛组成的，铁球在运动时，会受到细毛的阻扰而损失能量。罗赛特说，颗粒状的空间对于运动粒子来说，就好比摩擦力，粒子的能量通过这种形式，传递给了“毛茸茸”的空间。
暗能量新说
如果这个设想对头，那么自大爆炸以来，宇宙中的物质就在持续不断地丧失能量。固然，对于单个粒子来说，损失的能量是非常之微小的，用目前的设备根本无法探测，但考虑到宇宙之大，之久，这些积累起来的能量必定非常可观，足可用来解释暗能量的起源。换句话说，暗能量不是别的，就是物质在运动时，被时空损耗并吸收的能量。
罗赛特做了一下计算，如果把宇宙中不包括暗能量在内的物质总能量，比作一个10×10×10立方千米的水体，那么每年损耗的能量，仅相当于一个质子的质量。把自大爆炸以来损耗出去的能量全部加起来，跟天文上观测到的暗能量比较，差距从原先的120个量级缩小到7个量级。他认为，如果把他的理论进一步精细化，差距或许还会缩小。
当然，这个理论也并非没有争议。首先，物理学家要想搞清楚粒子尺度上与时空有关的事情是很困难的，因为在天体层面上行之有效的广义相对论，在此失效了。其次，罗赛特理论中的另一个假设，即时空是颗粒状的，尽管在科普文章中已经很流行，但在科学上远未得到证实。所以，要搞清暗能量的真实来源，恐怕还是需要等待把量子力学和广义相对论结合起来的统一理论。
拓展阅读
能量守恒为我们做过些什么？
我们不论朝哪儿看，能量看起来似乎都在创生或消灭：落体获得速度；潮汐涨了落，落了涨；被消化的食物似乎不见了……
但每一次，只要我们坚信能量既不能创生，也不能消失，总是守恒的，就总看透这些表面现象，为我们增加新的认识：物体从地面升起，就获得引力势能；海洋的水受月球引力的作用；食物被转化成了我们体内的肌肉和脂肪……
出于同样的道理，石头在地面滑行，速度越来越慢，让达·芬奇发现了摩擦力。19世纪，法国天文学家奥本·勒维耶结合能量守恒定律和观测数据，使他预言了海王星的存在。焦耳等一批物理学家，用能量守恒定律证明，热量只是另一种形式的能量。爱因斯坦的质能方程则证明，原子弹爆炸所产生的巨大能量，都储存在原子的质量上。
也许最让人印象深刻的是中微子的发现。1930年，物理学家发现，放射性原子能够发射电子，但在这一过程中，能量似乎莫名其妙地变少了。当时，像玻尔这样的大物理学家都猜测，或许在这一过程中，能量不再守恒了。但奥地利物理学家泡利却坚持认为能量是守恒的，只是被某种不可见的新粒子带走了。最后实验证实泡利的想法是正确的，新发现的粒子被命名为中微子。能量守恒定律再一次被证明是正确的。
近些年，在物理学上有些事情是比较棘手的，比如暗能量。
我们认识暗能量已经有一些年头了。1998年，天文学家在观察遥远的超新星时，发现它们比预期的要暗。在一个还在膨胀的宇宙中，虽然随着超新星和我们的距离在增加，它们的亮度注定是要衰减的，但它们还是暗得太快了一点。这只能用宇宙膨胀在加速来解释。
必定存在一种神秘的东西，是它踩了宇宙加速膨胀的“油门”。科学家把这种未知的东西叫做暗能量。暗能量大约占了宇宙总量的三分之二。根据近年来的观测显示，它应该均匀地分布在整个宇宙，其能量密度仅相当于每立方米6个质子的质量。搞清暗能量是什么，是当前物理学上的最大课题之一。
对于物理学家来说，最简单的办法是把暗能量解释为真空能。因为他们很早就知道，根据量子力学，真空中充满着各种此起彼伏的量子场，因此真空也是有能量的。但随后的计算却表明，真空能要比暗能量大差不多120个量级。这么大的差距，当然是无法接受的。
遇到这种情况，许多人就放弃这种设想了。但依然有不少人在顽强地通过修正理论来缩小这个距离。最近有人声称，暗能量并非宇宙中某个真实存在的实体，它仅仅是物理学家们在记录宇宙能量收支平衡时，之前被他们忽视了的某种东西。
但要理解这一点，不得不假设：我们通常意义上理解的能量守恒，不是任何情况下都成立的。
对能量守恒的质疑
这个假设可谓石破天惊。你不妨想一想，科学上定律、原理那么多，可是有哪一条比能量守恒定律更根本、更颠扑不破呢？事实上，能量守恒不仅通过了无数次实验的检验（见拓展阅读“能量守恒为我们做过些什么？”），还跟物理学上最基本的一个对称联系在一起。
早在20世纪初，数学家艾米丽·诺特就已证明，物理定律的每一种对称性，都对应一条守恒定律。例如，空间平移对称性导致动量守恒定律，时间平移对称性导致能量守恒定律。时间（空间）平移对称，通俗地说，就是物理规律不随时间（空间）的变化而变化。比如众所周知，没有哪条物理定律的有效性会有一个截止日期。
不过，对能量守恒的质疑也并非今日始。之前物理学家就从微观和宏观两方面提出过质疑。
就微观方面来说，量子理论认为，真空并非真的空无一物，里面其实充满了许多虚粒子；这些虚粒子可以从真空中暂时借得一部分能量，以获得“肉身”，旋即湮灭，又把能量归还真空。虽然从大的时间尺度来看，能量似乎还守恒，但从非常小的时间尺度来看，能量守恒显然被破坏掉了。
就宏观方面来说，广义相对论告诉我们，光在强引力场中传播时，波长会被拉长，此即引力红移。但是我们知道，光子的能量跟波长成反比，波长变长，岂不意味着光子的能量下降？可是，光在真空中传播，并没有什么东西偷走能量呀？所以在这里，能量守恒也被破坏了。
物质和时空如何交换能量？
不过，物理学家又说，这一切都只是表面现象。能量之所以不守恒，是因为我们之前对能量的理解太狭隘。在来自微观方面的质疑中，因为真空也是有能量的，一旦考虑真空能，总能量还是守恒的。在来自宏观方面的质疑中，广义相对论早就告诉我们，当时空被弯曲或平摊开来的时候，能量就会被吸收或者释放出来。所以，发生红移的光子，损失的能量必定是被弯曲的时空吸收了。一旦计及它周围时空的能量变化，总能量也还是守恒的。
这么一来，似乎又无话可说了。不过，能量在物质之间相互交换，是好理解的，但它是如何在物质和时空之间交换的呢？譬如发生红移的光子，是如何把自身的能量传递给周围时空的？
法国物理学家希伯特·罗赛特试图来解决这一问题。他认为，秘密或许就藏在广义相对论和量子力學交叉的地方。
这个既涉及广义相对论，又涉及量子力学的地方，本应以统一的量子引力理论为奥援，可惜该理论至今付之阙如。一个重要原因是，量子力学和相对论的时空观，有着巨大的差异。相对论认为，时间和空间都是连续的、平滑的；然而量子力学却认为，万物都是分立的、一份一份的，倘若深究下去，甚至连时空本身也是如此。
我们迄今描述物理现象，都假设时空是光滑的、连续的。相对论告诉我们，任何一个有质量的物体，甚至一个微观粒子，都会让它周围的时空发生扭曲，扭曲程度依它的质量而定（比如，黑洞把它所在的空间就扭曲成了一个漏斗形）。但倘若时空真是颗粒状的，当然对置身其中的物体会产生影响。就好比一个铁球，在一块厚毯子上滚动，从远处看，它滚到哪儿，哪儿就陷下去，但从近距离看，你会发现毯子表面并非光滑，而是由一根根直竖的、蜷曲的细毛组成的，铁球在运动时，会受到细毛的阻扰而损失能量。罗赛特说，颗粒状的空间对于运动粒子来说，就好比摩擦力，粒子的能量通过这种形式，传递给了“毛茸茸”的空间。
暗能量新说
如果这个设想对头，那么自大爆炸以来，宇宙中的物质就在持续不断地丧失能量。固然，对于单个粒子来说，损失的能量是非常之微小的，用目前的设备根本无法探测，但考虑到宇宙之大，之久，这些积累起来的能量必定非常可观，足可用来解释暗能量的起源。换句话说，暗能量不是别的，就是物质在运动时，被时空损耗并吸收的能量。
罗赛特做了一下计算，如果把宇宙中不包括暗能量在内的物质总能量，比作一个10×10×10立方千米的水体，那么每年损耗的能量，仅相当于一个质子的质量。把自大爆炸以来损耗出去的能量全部加起来，跟天文上观测到的暗能量比较，差距从原先的120个量级缩小到7个量级。他认为，如果把他的理论进一步精细化，差距或许还会缩小。
当然，这个理论也并非没有争议。首先，物理学家要想搞清楚粒子尺度上与时空有关的事情是很困难的，因为在天体层面上行之有效的广义相对论，在此失效了。其次，罗赛特理论中的另一个假设，即时空是颗粒状的，尽管在科普文章中已经很流行，但在科学上远未得到证实。所以，要搞清暗能量的真实来源，恐怕还是需要等待把量子力学和广义相对论结合起来的统一理论。
拓展阅读
能量守恒为我们做过些什么？
我们不论朝哪儿看，能量看起来似乎都在创生或消灭：落体获得速度；潮汐涨了落，落了涨；被消化的食物似乎不见了……
但每一次，只要我们坚信能量既不能创生，也不能消失，总是守恒的，就总看透这些表面现象，为我们增加新的认识：物体从地面升起，就获得引力势能；海洋的水受月球引力的作用；食物被转化成了我们体内的肌肉和脂肪……
出于同样的道理，石头在地面滑行，速度越来越慢，让达·芬奇发现了摩擦力。19世纪，法国天文学家奥本·勒维耶结合能量守恒定律和观测数据，使他预言了海王星的存在。焦耳等一批物理学家，用能量守恒定律证明，热量只是另一种形式的能量。爱因斯坦的质能方程则证明，原子弹爆炸所产生的巨大能量，都储存在原子的质量上。
也许最让人印象深刻的是中微子的发现。1930年，物理学家发现，放射性原子能够发射电子，但在这一过程中，能量似乎莫名其妙地变少了。当时，像玻尔这样的大物理学家都猜测，或许在这一过程中，能量不再守恒了。但奥地利物理学家泡利却坚持认为能量是守恒的，只是被某种不可见的新粒子带走了。最后实验证实泡利的想法是正确的，新发现的粒子被命名为中微子。能量守恒定律再一次被证明是正确的。