物质与时空摩擦产生暗能量？

暗能量之谜

近些年，在物理学上有些工作是比力棘手的，好比暗能量。

我们熟悉暗能量已经有一些年初了。1998年，天文学家在不雅察遥远的超新星时，发现它们比预期的要暗。在一个还在膨胀的宇宙中，固然跟着超新星和我们的距离在增添，它们的亮度注心猿意马是要衰减的，但它们仍是暗得太快了一点。这只能用宇宙膨胀在加快来诠释。

必心猿意马存在一种神秘的工具，是它踩了宇宙加快膨胀的“油门”。科学家把这种未知的工具叫做暗能量。暗能量年夜约占了宇宙总量的三分之二。按照近年来的不雅测显示，它应该平均地分布在整个宇宙，其能量密度仅半斤八两于每立方米6个质子的质量。搞清暗能量是什么，是当前物理学上的最年夜课题之一。

对于物理学家来说，最简单的法子是把暗能量诠释为真空能。因为他们很早就知道，按照量子力学，真空中布满着各类此起彼伏的量子场，是以真空也是有能量的。但随后的计较却表白，真空能要比暗能量年夜差不多120个量级。这么年夜的差距，当然是无法接管的。

碰到这种环境，很多人就抛却这种设想了。但依然有不少人在固执地经由过程批改理论来缩小这个距离。比来有人声称，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实宇宙能量出入均衡时，之前被他们轻忽了的某种工具。

但要理解这一点，不得不假设：我们凡是意义上理解的能量守恒，不是任何环境下都当作立的。

对能量守恒的质疑

这个假设可谓石破天惊。你不妨想一想，科学上心猿意马律、道理那么多，可是有哪一条比能量守恒心猿意马律更底子、更颠扑不破呢？事实上，能量守恒不仅经由过程了无数次尝试的查验（见拓展阅读“能量守恒为我们做过些什么？”），还跟物理学上最根基的一个对称联系在一路。

早在20宿世纪初，数学家艾米丽·诺特就已证实，物理心猿意马律的每一种对称性，都对应一条守恒心猿意马律。例如，空间平移对称性导致动量守恒心猿意马律，时候平移对称性导致能量守恒心猿意马律。时候（空间）平移对称，通俗地说，就是物理纪律不随时候（空间）的转变而转变。好比众所周知，没有哪条物理心猿意马律的有用性会有一个截止日期。

不外，对能量守恒的质疑也并非今日始。之前物理学家就从微不雅和宏不雅两方面提出过质疑。

就微不雅方面来说，量子理论认为，真空并非真的空无一物，里面其实布满了很多虚粒子；这些虚粒子可以从真空中临时借得一部门能量，以获得“肉身”，旋即湮灭，又把能量偿还真空。固然从年夜的时候标准来看，能量似乎还守恒，但从很是小的时候标准来看，能量守恒显然被粉碎失落了。

就宏不雅方面来说，广义相对论告诉我们，光在强引力场中传布时，波长会被拉长，此即引力红移。可是我们知道，光子的能量跟波长当作反比，波长变长，岂不料味着光子的能量下降？可是，光在真空中传布，并没有什么工具偷走能量呀？所以在这里，能量守恒也被粉碎了。

物质和时空若何互换能量？

不外，物理学家又说，这一切都只是概况现象。能量之所以不守恒，是因为我们之前对能量的理解太狭隘。在来自微不雅方面的质疑中，因为真空也是有能量的，一旦考虑真空能，总能量仍是守恒的。在来自宏不雅方面的质疑中，广义相对论早就告诉我们，那时空被弯曲或平摊开来的时辰，能量就会被接收或者释放出来。所以，发生红移的光子，损掉的能量必心猿意马是被弯曲的时空接收了。一旦计及它四周时空的能量转变，总能量也仍是守恒的。

这么一来，似乎又无话可说了。不外，能量在物质之间彼此互换，是好理解的，但它是若何在物质和时空之间互换的呢？譬如发生红移的光子，是若何把自身的能量传递给四周时空的？

法国物理学家希伯特·罗赛特试图来解决这一问题。他认为，奥秘或许就藏在广义相对论和量子力学交叉的处所。

这个既涉及广义相对论，又涉及量子力学的处所，本应以同一的量子引力理论为奥援，可惜该理论至今付之阙如。一个主要原因是，量子力学和相对论的时空不雅，有着庞大的差别。相对论认为，时候和空间都是持续的、光滑的；然而量子力学却认为，万物都是分立的、一份一份的，借使倘使深究下去，甚至连时空自己也是如斯。

我们迄今描述物理现象，都假设时空是滑腻的、持续的。相对论告诉我们，任何一个有质量的物体，甚至一个微不雅粒子，城市让它四周的时空发生扭曲，扭曲水平依它的质量而心猿意马（好比，黑洞把它地点的空间就扭曲当作了一个漏斗形）。但借使倘使时空真是颗粒状的，当然对置身此中的物体味发生影响。就比如一个铁球，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，你会发现毯子概况并非滑腻，而是由一根根直竖的、蜷曲的细毛构成的，铁球在活动时，会受到细毛的阻扰而损掉能量。罗赛特说，颗粒状的空间对于活动粒子来说，就比如摩擦力，粒子的能量经由过程这种形式，传递给了“毛茸茸”的空间。

暗能量新说

若是这个设想仇家，那么自豪爆炸以来，宇宙中的物质就在持续不竭地损失能量。当然，对于单个粒子来说，损掉的能量长短常之细小的，用今朝的设备底子无法探测，但考虑到宇宙之年夜，之久，这些堆集起来的能量必心猿意马很是可不雅，足可用来诠释暗能量的发源。换句话说，暗能量不是此外，就是物质在活动时，被时空损耗并接收的能量。

罗赛特做了一下计较，若是把宇宙中不包罗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，仅半斤八两于一个质子的质量。把自豪爆炸以来损耗出去的能量全数加起来，跟天文上不雅测到的暗能量比力，差距从原先的120个量级缩小到7个量级。他认为，若是把他的理论进一步邃密化，差距或许还会缩小。

当然，这个理论也并非没有争议。起首，物理学家要想搞清晰粒子标准上与时空有关的工作是很坚苦的，因为在天体层面上行之有用的广义相对论，在此掉效了。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风行，但在科学上远未获得证实。所以，要搞清暗能量的真实来历，生怕仍是需要期待把量子力学和广义相对论连系起来的同一理论。

能量守恒为我们做过些什么？

我们非论朝哪儿看，能量看起来似乎都在创生或覆灭：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克不及创生，也不克不及消逝，老是守恒的，就总看破这些概况现象，为我们增添新的熟悉：物体从地面升起，就获得引力势能；海洋的水受月球引力的感化；食物被转化当作了我们体内的肌肉和脂肪……

出于同样的事理，石头在地面滑行，速度越来越慢，让达·芬奇发现了摩擦力。19宿世纪，法国天文学家奥本·勒维耶连系能量守恒心猿意马律和不雅测数据，使他预言了海王星的存在。焦耳等一批物理学家，用能量守恒心猿意马律证实，热量只是另一种形式的能量。爱因斯坦的质能方程则证实，原枪弹爆炸所发生的庞大能量，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，放射性原子可以或许发射电子，但在这一过程中，能量似乎莫名其妙地变少了。那时，像玻尔如许的年夜物理学家都猜测，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对峙认为能量是守恒的，只是被某种不成见的新粒子带走了。最后尝试证实泡利的设法是准确的，新发现的粒子被定名为中微子。能量守恒心猿意马律再一次被证实是准确的。