宇宙学家的“狂妄和自负”
芝加哥大学的MichaelS.Turner曾经这样说，宇宙学家往往是狂妄自大的，因为他们相信自己能够确定宇宙是怎么起源，怎么演化并且知道最终的结局是什么。Turner接着说，作为宇宙学家，他必须为这种自负来辩解，因为没有这种自负，宇宙学家们就不可能去承担看似不可能完成的任务：理解我们的宇宙。
今天读了他和芝加哥大学的另外一位宇宙学家DraganHuterer的文章《CosmicAcceleration,DarkEnergyandFundamentalPhysics(arXiv:0706.2186v2[astro-ph])。这篇文章并不是解决暗能量中的某个具体问题，而是对宇宙加速，暗能量和基本物理之间的整体思考，以及对暗能量前生后世的回顾展望。其中有两句话比较有感触，先拎出来：第一句话是ArthurEddington说的,“Itis(also)agoodrulenottoputtoomuchconfidenceinobservationalresultsuntiltheyareconfirmedbytheory”.我们说物理学是一门以实验为基础的学科，一切由实验中来，最终还要回到实验中，但是这不是说要我们唯现象论，除非观测结果被理论解释证实了，否则就不要对观测结果抱太多的信心，这让我想起张启仁教授前不久来物理系做报告时也说过类似的话。他在回答一个博士关于超光速的问题时说的（大意），我们要对观测的结果慎之又慎，脱离理论解释的实验结果和脱离实验验证的理论都是不对的，不要一有了所谓新的结果就去宣称发现了新物理，要去理解。第二句是接着第一句说的，还是差不多意思：“scienceisnotjustacollectionoffacts,itisalsounderstanding;iftheunderstandingdoesnoteventuallyfollownewfacts,perhapsthereissomethingwrongwiththefacts”。
现把这篇文章的大意整理如下，也算是自己对这篇文章做的读书笔记，加深点对宇宙学的理解。
1．夸克与宇宙：20世纪的最后25年物理学中产生了两个非常成功的数学模型来描述宇宙的两个极端：最大和最小。粒子物理的标准模型能解释微观世界的的几乎所有实验现象，而标准的热大爆炸模型则具体描述了宇宙从刚开始的若干分之几秒，当时宇宙还是一锅基本粒子的热汤，到现在的充满了恒星、行星、星系，星系团的年龄为137亿年的宇宙。这两个标准模型都和大量精确的观测数据相符，如高能粒子加速器，望远镜和实验室的实验。粒子物理和热大爆炸的标准模型无疑可列为20世纪最重要的成就之中。当然，这两个模型都还有各自的问题。而且，不管是在问题还是在最终的答案中，关系最大和最小的“Bigquestions”都是相互联系的。这显示最终的更深理解将揭示更多的关于夸克（最小）和宇宙（最大）的联系。这些“Bigquestions”包括：
1)自然界的力和粒子是怎样统一的？
2)宇宙、时空的起源是什么？
3)量子论和广义相对论之间如何调和？
4)宇宙中的重子物质是如何出现的？
5)宇宙的命运如何？
6)使宇宙结合在一起的暗物质（darkmatter,DM）和使宇宙加速膨胀的暗能量（darkenergy，DE）的本质是什么？
最后一个问题说明了夸克和宇宙之间的丰富联系：组成宇宙的物质和能量中96％仍然是我们还未知的形式，他们的存在至关重要，也决定了他们自身的命运。暗物质和暗能量也是最具体而且也可能是最重要的证据来显示超越标准粒子模型的新物理。
对暗物质问题的解释似乎快要解决：我们已经有了一个广为接受的假设，那就是存在从大爆炸遗留下来的稳定的基本粒子,他们充当着暗物质。我们知道暗物质的一小部分是massiveneutrinos，剩下来的暗物质也有两个很好的候选者：axion和neutralino，而且有实验的计划来检测整个粒子暗物质的假设。
对于宇宙加速和暗能量情况则大不相同。我们有足够的证据表明宇宙的加速膨胀，但是我们离对宇宙加速的真正理解还相当遥远，目前也没有一个广为接受的暗能量模型。问题的答案也许就在眼前，也可能远在天边！
2．宇宙加速的证据
A.宇宙学的基本知识：由爱因斯坦创立的现代宇宙学假定宇宙在大尺度上（现在而言应该是大于100Mpc的星系分布）分布均匀且各项同性，宇宙的膨胀简单的由一个单一的函数来描述：标度因子R（t），…….(略)
B.Lambda（宇宙学常数）多变坎坷的历史：Tuner原文略，关于宇宙学常数的历史有很多文章回顾，没有必要再来翻译他们的了。总的说来，自从爱因斯坦为了得到静态宇宙解而引入宇宙学常数以来，宇宙学常数经历了四起三落的坎坷命运，而且就目前来看宇宙学常数的幸福还不知在哪里。当然有一点可以肯定，就是物理学家再也不会像过去那样轻易对宇宙学常数呼来呵去了。不管未来怎样发展，宇宙学常数问题都不是一个能随便忽视的问题。宇宙学常数对理论宇宙学家可谓是爱恨情愁，别有一番滋味在心头！
C.发现和证实：
A).Riessetal和S.Perlmutteretal小组在上世纪90中后期分别独立的发现遥远距离的SNe超新星比在一个减速膨胀的宇宙中看来要暗一些，从而表明宇宙在过去的大约5Gyr前开始加速膨胀。对宇宙物质和宇宙学常数的分析，他们的结果显示在99％的可信度里面宇宙学常数大于0。由于这些工作，这两个小组，以及其他的group又发现和研究了更多的SNe超新星。新的数据逼近证实了加速膨胀的发现，而且还支持对暗能量的态参数的测量，对随时间演化的态参数也能给出参数化的限制。特别重要的是对于红移z大于1的超新星观测显示，宇宙在早些时候是减速膨胀的，这说明暗能量开始主导宇宙是发生在最近的事情，大约在红移z等于0.5的时候。这个发现其实也是被现实所证实的：没有一个物质主导的缓慢膨胀的过程，宇宙不能形成我们今天所看到的结构。暗能量的存在的证据还来自其它几个独立的观测。B).对星系团中X－ray发射气体质量对整个质量的比值f_gas的测量同样也表明了暗能量的存在。因为星系团是宇宙中最大的塌缩物体，他们中的气体组分假设是常数并且等于宇宙中的所有重子组分Omega_b/Omega_m（星系团中的大部分重子都在气体中）。对气体组分f_gas的测量不仅依靠观测到的X－ray的流量，而且也决定于星系团的距离，因此，只有在正确的宇宙模型中这个距离才能使得f_gas随着红移的演化是常数。利用ChandraX－rayObservatory的数据，Allen等人在＋/0.2的精度上定出了暗能量组分Omega_Lambda的值。
C).宇宙微波背景（CMB）的记录了早期宇宙的印记，这就是在宇宙结构形成之前光子退耦的时候，那时红移z约等于100。引力所驱动的光子－重子振荡所产生的声学峰决定了多级功率谱。声学峰的位置和振幅包含了许多宇宙早期和现在的信息。它们显示宇宙空间是平坦的，物质能量密度只占整个临界密度的四分之一左右，但是均匀分布的压强为负的且能量密度占剩下四分之三的物质的存在却使得一切问题都和观测符合的很好，如CMB数据和宇宙中星系的大尺度分布。WMAP所提供的CMB数据以及数字巡天计划（SloanDigitalSkySurvey,SDSS）所提供的大尺度结构数据告诉我们宇宙的总能量密度组分Omega_t为1.003+/-0.010,其中物质占0.24+/-0.02，重子物质占0.042+/-0.002，暗能量占0.76+/-0.02。
D.暗能量的存在会影响CMB大角度上的各向异性并且会导致CMB各向异性与星系分布之间会有一个小的相关性的预言。这一微妙的作用已经被观测到了。没有观测到比预言更大的相关性，这可以看成是又一个对暗能量存在的独立证据
E.CMB各向异性上的重子声学振荡（Baryonacousticoscillations，BAO）非常显著，它在星系的结团上留下了更小的特征信号能够在今天被观测到，这提供了另一个独立的对暗能量几何探测。尽管这个测量本身不能证实暗能量的存在，但是却它可作为其它探测的一个重要补充。
F.弱引力透镜效应，光线通过大尺度结构时由于引力透镜的作用而引起的星系像的小的扭曲变形，是一个非常有用的技术来勾画暗物质以及它的结团。当前，暗能量存在对弱引力透镜效应的影响主要在于压低了Sigma_8（Sigma_8istheamplitudeofmassfluctuationsonthe8Mpcscale）的值,这使得Omega_m的值大约为0.25，这和暗能量主导的空间平坦的宇宙是相符的。将来弱引力透镜可以用来探测暗能量的态参数w。
G.因为宇宙的年龄依赖于宇宙的膨胀历史，这样和其它独立的宇宙年龄的探测就可以用来决定暗能量。对球状星系团中最古老星星的测量显示宇宙的年龄在110亿年到150亿年之间（显然宇宙的年龄必须大于宇宙中最古老的星的年龄，也就是观测到的最古老星的年龄是宇宙年龄的下限）。CMB的各向异性对宇宙年龄非常敏感，WMAP数据给出的宇宙年龄为138.4亿年。分析还显示如果w在－2到－0.75之间，则宇宙的年龄就和观测比较相符，如此，对宇宙年龄的测量也证实了关于暗能量的另一个重要特征：大的负压强。
3．理解加速膨胀：Eddington说过：在实验观测数据没有被理论证实之前不要对它抱有太大的希望，这观点看来有点荒谬，或者被看作是理论家们的狂妄。其实这观点很好理解：科学不仅是事实的收集，更重要的是对它的理解，如果理解最终不能和新事实相符，那很可能是事实本身可能有问题。
宇宙的加速膨胀现象符合Eddington的标准，并且同时提供给理论学家们一个绝好的机会：GR（广义相对论）可以容纳一个加速膨胀的宇宙，，但是GR还需要给出对这一现象更深的理解。在GR中，一个弹性的流体有反引力，如果量足够多，可以导致观测上的加速膨胀，这也就是暗能量的定义：一种弹性的，均匀的使得宇宙加速膨胀的神秘的能量形式，它的态参数在－1附近。理论上关于宇宙加速膨胀和暗能量的解释有：
A.真空能：所有的量子场论都有真空零点能，微小的真空起伏，数学上等价于宇宙学常数。但是对真空能的计算却都导致发散的结果，即使在能标上有个截断（cutoff）后所计算得到的值，也和我们所需要的值相差十万八千里的不知多少倍。考虑超对称理论，如果超对称不破缺，则fermionic和bosonic的零点能的贡献可以相互抵消从而真空能为零。但是如果超对称破缺的话，那么两类超对称粒子零点能不完全抵消后的贡献仍然比我们需要的大50～60个数量级。有一个解决宇宙学常数问题的idea，那就是认为真空能是一个可以随机取值的变量，随着宇宙中没有联系的区域的不同而取不同的值。如果存在一个比我们现在能解释加速膨胀还要大的宇宙学常数，则这样的宇宙中星系不能形成，也就不会存在“我们”来观测到这样的加速膨胀宇宙了，这其实就是人择原理，可以来自弦理论的landscapeversion中
B.标量场：这也是目前研究非常多的暗能量候选者，这相当于引入一个新的动力学自由度，但是引入标量场并不能解决已经存在的宇宙学常数问题。笼统的标量场模型其实包含很多不同的模型：最简单的是正则标量场模型（quintessence），还有非正则标量场模型，非正则标量模型里面又有许多不同的形式，如tachyon，BI。phantom也可以看作是它的一种。还有多个标量场模型，如果考虑标量场和其它物质的耦合的话，还有耦合标量场模型。标量场模型是通过场在一个平坦势中的慢滚来导致宇宙的加速膨胀。为了场滚动的足够慢，标量场的质量必须非常轻（m<10^(-42)Gev）。为了和对新的长程力的探测结果吻合，这个标量场和物质的耦合也必须非常弱。和真空能不一样，标量场能量可以在引力下集结，但是这只能发生在最大尺度上而且幅度也非常小。标量场的w可以在－1到1之间，也可以小于－1。标量场模型也带来了新的问题和可能性：宇宙加速和早期的暴涨有联系吗？暗能量和暗物质、中微子质量有联系吗？尽管有不少有趣的建议，目前还没有一个广为接受的结论。
标量场还以另外一个完全不同的形式也可以解释宇宙的加速膨胀。由破缺规范理论产生的拓扑的孤立子，如strings，walls和textures等，它们都是弹性的，在大尺度上的行为表现为弹性的介质（w＝－N/3，N＝1forstring，2forwallsand3fortextures），不过此时的w是常数。
C.修改引力理论（Modifiedgravity）：宇宙的加速膨胀也可能是暗示存在新的引力理论而非存在暗能量。这样的改变在两个地方显现：一是宇宙背景时空的演化由新的Friedmann方程描述，二是物质扰动的演化方程需要修改。有许多这方面的尝试，如在高维理论和弦理论中的宇宙学，以及一般的修改引力作用量。当然为了不废弃标准宇宙学关于宇宙早期演化的成果（从大爆炸核合成到CMB各向异性再到结构形成），修改后的Friedmann方程在红移z远远大于1的时候要能回到标准的GR框架下。
4．对暗能量本质的展望：对暗能量的探测可以分为三大类：运动学的（kinematical），动力学的（dynamical），实验室/天文探测。运动学上的探测是对宇宙学距离的测量来得到对宇宙标度因子的演化，对宇宙学模型的背景的限制，这些探测包括Ia型SNe，CMB以及重子声学振荡。动力学上的探测在于探测宇宙学模型的扰动（perturbation），如对最终导致宇宙结构形成的物质密度中的小的不均匀性的演化的测量。特别如利用引力透镜效应直接决定暗物质中结构的演化，还可以通过对星系团丰度的增长的研究来间接探测结构的增长。另一个潜在的可以探测暗能量的方法，现在看来还不能达到的，就是研究暗能量本身的集结。由于真空能是不会集结的，所以探测到这种集结可以排除真空能作为宇宙加速膨胀解释的可能性。运动学上和动力学上的对暗能量的探测互为补充：整个宇宙的演化（kinematical）和扰动的演化（dynamical）。这两种方法在一起就可以用来检测基本引力理论是否自洽了。比如从这两种方法得到的暗能量的态参数w的值如果不一样的话，就说明了基本引力理论本身不自洽。
对于暗能量的探测主要是宇宙学上的，实验室实验则可能在基本物理上得到。如果暗能量和物质耦合，则原则上就可以观测到新的长程力，如果它和电磁场耦合，则从遥远天体来的极化光其极化方向就会旋转。如果存在暗能量，在加速器实验上也会有所反映，比如，一旦超对称的证据在LHC（LargerHadronCollider）被发现，则对超对称如何破缺的理解会有利于我们理解真空能之谜。
今天的观测已经给出了暗能量存在的证据并且开始探测它的本质，也就是对它的状态参数的限制（w～－1）。将来的实验将集中在确定它是不是真空能、暗能量能不能在GR中被容纳。SNAP（Supernova/SccelerationProbe），一个基于空间望远镜来收集几千个红移达到2的计划，将能够极大的减少暗能量参数的不确定性。SNAP和一个基于地面的宽场巡视计划（DarkEnergySurvey，DES），以及LSST计划（LargeSynopticSurveyTelescope）一起，能够map来自最大可观测尺度的弱引力透镜信号，并且可精确确定暗能量对结构成长的影响。LargeBAO测量也已经计划好，从地面和空间两个方面着手。通过对星系团丰度演化的探测，刚刚完成的南极望远镜（SouthPoleTelescope，SPT）和AtacamaCosmologyTelescope（ACT）将很快用来研究暗能量。2008年，ESA的Planck卫星将发射，用来探测在更高精度上测量CMB，预计可以测量到l～3000，能够更加精确的确定物质密度，提供重要的对其它暗能量测量的限制。
5．暗能量及宇宙的命运：人们首先从现代宇宙学中知道的事情之一就是几何决定命运，对于宇宙学常数为零的宇宙中，闭宇宙最终要重新塌缩，平坦和开宇宙会一直膨胀。暗能量的存在提供了新的可能。由于暗能量是随时间演化的，宇宙的未来是不确定的，它依赖于对暗能量的理解。如果暗能量是真空能，则宇宙将继续加速膨胀，而且到最后为e指数膨胀，最终不可避免的导致一个黑暗的宇宙。如果暗能量是由标量场充当的，那么宇宙的命运将取决于标量场势的最小值。如果最小值为零，则最终宇宙还会变成物质主导，重新进入减速膨胀。如果最小值大于零，不管它多小，最终的宇宙演化仍然是加速的。如果势的最小值为负，则宇宙的演化会大不相同，宇宙膨胀到一定的时候会重新收缩并最终塌缩。没有暗能量的宇宙几何和命运是相连的，暗能量的出现切断了这样联系，宇宙的最终命运在于对暗能量的理解。
最后一段是Summary，意思和正文差不多，总结了一下而已，就不说了。
