暗能量真的存在吗？(3)

　　
　　有了勒梅特―托尔曼―邦迪宇宙模型，宇宙学家就可以预测一系列能够观测的物理量。先来看看让天文学家一开始推导出暗能量存在的超新星。天文学家观测到的超新星越多，重构的宇宙膨胀历史就越准确。严格地说，这些观测不可能排除巨洞模型，因为不论观测到什么样的超新星数据，宇宙学家都能用一个形状合适的巨洞来解释它。不过，想要做到与暗能量完全没有任何区别，这个巨洞就必须拥有一些非常奇怪的性质。
　　
　　原因就在于，假想的暗能量所驱动的加速膨胀会一直持续到今天。如果用一个巨洞来精确“模拟”这一点，膨胀速度就必须随着距离我们越来越远而急剧下降，而且在任何方向上都必须如此。这样一来，物质和能量密度就必须在任何方向上，随着距离我们越来越远而急剧增加。宇宙中物质的密度分布，看起来就必定像一个尖头朝下的巫婆帽，帽尖指向我们居住的地方。然而，迄今观测到的所有宇宙结构，似乎都与之完全相反：它们的密度分布大都是平滑的，不会平白无故出现一个“帽尖”。更糟糕的是，当年同在美国康奈尔大学的阿里·范德维尔德（Ali Vanderveld）和埃纳·弗拉纳根（Eanna Flanagan）曾经证明，指向我们居住地点的“帽尖”还必须是一个奇点才行，就像黑洞中间那个超致密区域一样。
　　
　　不过，如果这个巨洞更为真实，拥有平滑的密度分布，它就会留下足以辨认身份的观测“指纹”。平滑的空洞仍然能够产生一些观测现象，可能被误认为是加速膨胀，但没有“帽尖”的空洞将无法再现与暗能量完全相同的结果。确切地说，表面上看到的膨胀“加速度”随红移变化而发生的改变，将会泄露天机。我们在一篇与凯特·兰德（Kate Land，当时在英国牛津大学）合作撰写的论文中证明：在现有的几百颗超新星观测数据的基础上，再多观测几百颗超新星，就应该足以判定巨洞和暗能量谁对谁错了。超新星观测项目处在一个非常有利的位置，很快就能够实现这一目标。
　　
　　超新星并不是唯一的观测判据。1995年，美国普林斯顿大学的杰里米·古德曼（Jeremy Goodman）提出了另一种可能的检验方法——观察微波背景辐射。当时暗能量的最佳证据尚未出炉，古德曼提出这种方法的目的，不是为了给任何无法解释的现象寻求解释，而是为哥白尼原理本身寻找证据。他的想法，是把遥远的星系团当成镜子，从不同位置来观察宇宙，就像在天体试衣间里照不同的镜子一样。微波辐射遇到星系团时，一小部分会被星系团反射。仔细测量这些辐射的光谱，宇宙学家就能推断，从其中某个星系团观察宇宙时，宇宙看起来是什么样子。如果变换位置会改变宇宙表现出来的模样，这将为巨洞或类似结构提供强有力的证据。
　　
　　两个宇宙学家小组已经将这一设想付诸实施。美国达特茅斯学院（Dartmouth College）的罗伯特·考德威尔（Robert Caldwell）和伊利诺伊州巴达维亚市费米国家加速器实验室的艾伯特·斯特宾斯（Albert Stebbins），研究了微波背景中畸变的精确测量数据；西班牙马德里大学的胡安·加西亚－贝利多 （Juan García-Bellido）和丹麦奥胡斯大学（University of Aarhus）的特勒尔斯·豪格博勒（Troels Haugbolle）则直接观测单个星系团。这两个小组都没有检测到巨洞的存在，他们最多只能对这样一个巨洞可能具备什么样的性质加以限制。预定于2009年5月发射升空的普朗克卫星（Planck Surveyor），将给这个巨洞的性质做出更加严格的限制，甚至可能彻底排除巨洞的存在。
　　
　　南非开普敦大学的布鲁斯·巴西特（Bruce Bassett）、克里斯·克拉克森（Chris Clarkson）和吕慧卿（Teresa Lu）提出了第三种方法——独立测量不同位置的膨胀速度。天文学家通常用红移来衡量膨胀速度，但红移是某一天体到我们之间所有空间区域膨胀效应的累积。由于所有这些区域都叠加在一起，红移无法区分膨胀速度是随空间变化还是随时间变化。最好能够筛除其他位置的膨胀效应，只测量某一特定空间位置的膨胀速度。但这项任务十分困难，目前尚未完成。观察不同位置上宇宙结构的形成过程，或许是一种可行的办法。星系和星系团的形成与演化，在很大程度上取决于当地的空间膨胀速度。研究不同位置上的这些天体，排除影响它们演化的其他效应，天文学家或许能够分辨出膨胀速度上的细微差异。
　　
　　其他可能
　　我们居住在一个超级宇宙巨洞的内部，这似乎跟“宇宙学原理”势同水火，不过也可能存在一些折中的情况。宇宙在大尺度上可以遵循宇宙学原理，但星系巡天观测已经发现的、规模较小的巨洞和物质纤维，也可能共同作用模拟出了暗能量效应。加拿大麦吉尔大学的蒂尔撒伯·比斯瓦斯（Tirthabir Biswas）和阿莱西奥·诺塔里（Alessio Notari），还有当时在意大利帕多瓦大学的瓦莱里奥·马拉（Valerio Marra）以及他在美国芝加哥大学的合作者，对这个想法进行了研究。在他们的模型中，宇宙看起来就像瑞士奶酪——整体上均匀一致，但内部布满孔洞。因此，不同地点的膨胀速度就会略有不同。遥远的超新星发出的光在抵达我们这里之前，会穿过许多较小的巨洞，膨胀速度上的变化会扭曲它们的亮度和红移。不过目前看来，这个想法似乎前途不妙。本文作者之一克利夫顿和英国牛津大学的约瑟夫·尊茨（Joseph Zuntz）合作证明，再现暗能量效应需要存在大量物质密度极低的巨洞，而且它们的分布也必须遵循某种特殊的方式。
　　
　　另一种可能性是，暗能量是宇宙学家惯用的数学近似方法产生的假象。为了计算宇宙膨胀速度，我们通常会统计一块空间区域中所含物质的总量，再除以空间体积，得到平均能量密度。然后，我们将平均密度代入爱因斯坦引力方程，确定宇宙膨胀的平均速度。虽然密度会随地点变化，但我们会把它视为整体平均值上的微小波动。
　　
　　问题在于，把平均物质分布代入爱因斯坦方程求解，跟代入真实物质分布求解方程再对结果求几何平均，完全是两码事。换句话说，我们是先平均再解方程，但实际上我们应该先解方程再平均。
　　
　　把真正的宇宙、哪怕是任何大致近似于真实宇宙的东西代入整套方程求解，难度都是人们无法想象的，因此大多数科学家都求助于先平均再求解这种比较简单的方法。为了确定这种近似方法到底有多准确，法国里昂大学的托马斯·比谢尔（Thomas Buchert）进行了一项研究。他在宇宙学方程中引入了一组额外项，用来表示先平均再求解所产生的误差。如果能够证明这些项很小，那么近似方法就很不错；如果这些项很大，近似方法就很差。目前，这项研究还没有得出确切结果。一些研究人员提出，这些额外项或许足以解释暗能量，另一些研究人员则声称，这些项可以被忽略。