我们能探测到暗能量吗？

暗能量---- 导致宇宙加速的神秘力量---- 可能是导致 XENON1T 实验意外结果的原因，该实验位于意大利亚平宁山脉深处。

一项由剑桥大学研究人员领导并发表在《物理评论 d 》杂志上的新研究表明，意大利 XENON1T 实验的一些无法解释的结果可能是由暗能量引起的，而不是实验设计用来探测的暗物质。

他们建立了一个物理模型来帮助解释这个结果，这个结果可能来自于太阳强磁场区域产生的暗能量粒子，尽管未来的实验需要证实这个解释。研究人员说，他们的研究可能是直接探测暗能量的重要一步。

我们在天空和日常生活中所能看到的一切---- 从微小的卫星到巨大的星系，从蚂蚁到蓝鲸---- 只占宇宙的不到5% 。剩下的就是黑暗了。大约27% 是暗物质---- 将星系和宇宙网络连接在一起的不可见力量---- 而68% 是暗能量，它使宇宙以加速的速度膨胀。

该论文的第一作者、剑桥大学卡弗里宇宙学研究所的桑尼 · 瓦格诺齐博士说: “尽管这两种成分都是看不见的，但我们对暗物质的了解要多得多，因为暗物质早在20世纪20年代就被提出，而暗能量直到1998年才被发现。”。“类似 XENON1T 这样的大规模实验已经设计出来，通过寻找暗物质撞击普通物质的迹象，直接探测暗物质，但是暗能量更加难以捉摸。”

为了探测暗能量，科学家们通常会寻找引力的相互作用: 引力牵引物体的方式。在最大的尺度上，暗能量的引力效应是相互排斥的，将物体相互拉开，使得宇宙的膨胀加速。

大约一年前，XENON1T 实验报告了一个意外的信号，或者超过预期的背景。这项研究的合著者、意大利弗拉斯卡蒂国家实验室(Frascati National Laboratories)的研究员卢卡 · 维西内利(Luca Visinelli)博士表示: “这种过度行为通常是侥幸，但偶尔也会导致基础性的发现。”。“我们 探索 了一个模型，在这个模型中，这种信号可以归因于暗能量，而不是这个实验最初设计用来探测的暗物质。”

在那个时候，对于这种过剩最流行的解释是轴子---- 假设的，极轻的粒子---- 在太阳中产生。然而，这种解释与观测结果不符，因为解释 XENON1T 信号所需要的轴子数量将大大改变比太阳重得多的恒星的演化，与我们观测到的结果相冲突。

我们还远远没有完全理解暗能量是什么，但是大多数暗能量的物理模型都会导致所谓的第五种力的存在。宇宙中有四种基本作用力，任何不能用其中一种作用力来解释的东西，有时都被称为未知的第五种作用力的结果。

然而，我们知道爱因斯坦的引力理论在局部宇宙中非常有效。因此，任何与暗能量相关的第五种力都是不必要的，在小尺度下必须被隐藏或屏蔽，并且只能在爱因斯坦的引力理论无法解释宇宙加速度的最大尺度下运作。为了隐藏第五种力，许多暗能量模型都配备了所谓的屏蔽机制，动态地隐藏第五种力。

瓦格诺奇和他的合作者建立了一个物理模型，该模型使用了一种被称为变色龙筛选的筛选机制，来表明太阳强磁场产生的暗能量粒子可以解释 XENON1T 过剩。

瓦格诺兹说: “我们的变色龙筛查关闭了高密度物体中暗能量粒子的产生，避免了太阳轴子所面临的问题。”。“这也使我们能够将局部非常致密的宇宙中发生的事情与最大尺度上发生的事情分离开来，因为那里的密度非常低。”

研究人员利用他们的模型展示了如果暗能量产生于太阳的一个特定区域---- 被称为塔乔克莱群的区域，那里的磁场特别强，探测器中会发生什么。

瓦格诺齐说: “这种过剩原则上可能是由暗能量而不是暗物质引起的，这真是令人惊讶。”。“当事情像那样一拍即合时，真的很特别。”

他们的计算表明，专门用来探测暗物质的 XENON1T 等实验也可以用来探测暗能量。然而，最初的过度仍需要令人信服的证实。维西内利说: “我们首先需要知道，这不仅仅是一次侥幸。”。“如果 XENON1T 真的看到了什么，你可以预期在未来的实验中会再次看到类似的过剩，但这次的信号要强得多。”

如果过剩是暗能量的结果，即将到来的 XENON1T 实验的升级，以及追求类似目标的实验，如 LUX-Zeplin 和 PandaX-xT，意味着它可能在未来十年内直接探测到暗能量。

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1980年代曾有人宣称发现了‘第五种力’，并一度把它解释为引力在数十米作用范围内的可能变种（实为‘反引力’）。但仔细的实验证明，归因于第五种力的所有效应，在扣除了实验地区地质层密度的变化后，实际上都能用引力来解释。没有证据表明宇宙中还存在四种已知力之外的任何其他力，粒子物理学家的主要目标之一就是用一揽子数学模式解释全部四种力的作用方式（见大统一理论）。

四种力相对强度的差别极为悬殊。如以强力的强度为1单位，则电磁力的强度（正好是强力强度的百分之一），弱力的强度（强力强度的百万分之一），而引力的强度（强力强度的100万亿亿亿亿分之一）。这意味着，比如，两个电子之间的电磁斥力比同样两个电子之间的引力倍。引力的微弱如此惊人，致使它在粒子对或几个粒子之间的相互作用中实际上不起任何作用。 但在四种力中人们最先加以科学研究的却是引力，而且艾萨克·牛顿建立了圆满的数学理论来描述它。这是由于引力具有可加性——物质团块中含有的粒子越多，该团块的引力越强。而且引力的作用程非常长，强度的减弱仅仅与到物质团块距离的平方成反比（平方反比律）。太阳的引力很大，因为它含有极大量粒子，而它那极长的作用程能将行星维持在它们的轨道上。

确实，正是电磁力和引力在大小上的差异才使恒星能够那样大。在太阳这类恒星的内部，核子之间的电力总是力图把它们分开，因为所有核子带正电荷，而同性电荷互相排斥。同样，原子外部的电子全都带负电荷，如果你试图把两个原子推到一起，它们总是被它们电子云之间的斥力分开。虽然电磁力也遵守平方反比律，而且原则上作用程也很长，但每个原子的净电荷却等于零，因为电子云的负电荷正好与核的正电荷相互抵消（电子因量子效应而不会落到核中，见量子理论）。所以，即使你把大量原子放到一起，总电荷仍为零，而引力则因原子数量的增多而变大。

一个物质团块一旦拥有大个原子，团块中心的原子受到的引力(它上面的全部原子的重量)将强大到使个别原子核挤到一起，使原子核互相接触，而维持恒星内部高温的核聚变过程得以开始。所以，简单地比较电磁力和引力的强度，就能够预报所有恒星必定含有至个原子核。但情形并非完全如此，因个原子不是集中在一个点，而是扩散到恒星的整个体积中。这对引力来说是个不利因素，它使引力的效率减小了1/3，因为物质团块的体积正比于半径的立方。因此，实际上，引力要能把原子压到一起并引发核聚变，团块应含有大约个原子，因为38是57的2/3。一个拥个氢原子核（记住这个数叫做海因兹汤参数）的物质团块，确实正好是比太阳小一点点的恒星的大小，它的质量大约是太阳质量的85%。 由于量子效应，稍轻一些的恒星是可能存在的，但决不会轻于太阳质量的大约10%。需要这么多质量是为了使恒星足够重，能将两个原子压到一起，使一对核发生聚变——当然，一旦恒星有那么重，它将把其深部的所有原子压到一起并引起很多核聚变。

展示引力微弱程度的另一个例子是苹果从树上落下。苹果的柄是通过原子和分子之间的电磁力维持成一体的，柄只含有很少的分子，却要忍受地球的全部粒子作用在苹果上、试图扯断它的柄并使苹果落到地面的联合引力。

另外两种力，即强核力和弱核力（通常省略‘核’字，直接称之为强力和弱力），不遵守平方反比律，作用程很短，其影响仅及于一个原子核大小的范围。强力直接作用在夸克之间，使它们结合成强子，包括原子核中的质子和中子（重子族的成员）。尽管质子之间的电磁斥力总想把原子核炸开，强力却能从个别核子漏出而影响近旁粒子，从而将质子和中子保持在原子核内。

既然强力比电磁力大约强100倍，那么我们期望当原子核含有100个以上质子时，电磁力将占优势而使原子核不稳定（在这种情况下，电磁力由于所有质子的电荷相等而可加，作用程很短的强力则不可加，而只在相邻的核子之间起作用）。实际上，强子的处境因原子核中存在中子而稍稍轻松些，但最重的一些稳定原子核仍然含有正好超过200个核子，不过其中的质子都不到100个（甚至钚原子核的质子也只有92个）。再说一遍，对两种基本力之间平衡的简单理解，解释了本来可能成为自然界之谜的现象，即稳定元素数量是有限的。

强力的一个独特性质是，在其作用范围内，分开较远的夸克具有较大的强力。一个核子中三个夸克只要彼此相距在大约米以内，就根本不会明显感受到力的作用——它们似乎由与作用范围大致同样长的松紧带连接着。但是，当某个夸克试图运动到离它的同伴超米，‘松紧带’就开始绷紧，把它拉回到原地。它试图运动得越远，绷紧得越厉害，拉它回来的力也越大。夸克要逃离核子，仅当注入极大能量（可能通过与其他粒子碰撞），将松紧带扯断，在断裂处的两边各产生一个由纯能量转换而来的新夸克（见狭义相对论），才有可能。

逃离的夸克将与一个新夸克结合，形成一个叫做介子的束缚对，而第二个新夸克则占据它在核子中的地位。

弱力的行为更加不像通常意义下的力，而是引起β衰变过程的一种相互作用。弱力的作用发生在轻子之间和产生轻子的强子衰变过程中。但弱相互作用和电磁相互作用两者能用叫做弱电理论的同一个数学描述统一起来。这个理论把这两种力描绘成单一力的不同方面；将不同力的数目减少到三种是粒子物理学家的重大成功之一，它大概也是建立一个将强力与弱电力统一起来的更完整数学模式的办法。

在经典力学中，粒子之间的力用场方程式描述，并想像一个粒子周围存在对其他粒子施加力的‘力场’。在量子理论中，力(或相互作用)由粒子携带（或传达）。电磁相互作用由光子传达而在带电粒子间交换；弱相互作用由叫做中介矢量玻色子的粒子传达而在轻子间（有些情况下在一个轻子和一个强子之间）交换；强相互作用由胶子传达；引力由引力子传达。有直接证据表明，除引力子外，所有这些力的载体都存在；而且几乎肯定（弦理论也预言了的）引力子确实存在，但引力的极度微弱使得对它们在粒子间交换方式的探测成为不可能。

我们已经知道，引力是一种与时空基本结构紧密关联的普适力，应该视其为基本力。换句话说，我们应该用引力来度量其他东西，而不是用其他东西来度量引力。因此，在绝对意义上来说，引力不是微弱的——它本来就是这样子的。事实上，引力显得如此之微弱一直让理论物理学界感到困惑。

但是科学家们对于在宏观尺度上发生重大作用的万有引力，通过对恒星坍缩后所形成的宇宙黑洞的探索和研究，发现宇宙黑洞具有吞噬一切的能力，而这种力，恰恰是坍缩后的星体内部粒子间的其他三种失效后所表现出来的强大的引力作用的结果。

1928年，钱德拉塞卡从印度来到英国剑桥跟英国天文学家阿瑟·爱丁顿爵士学习。在跟随爱丁顿爵士对宇宙的研究中，钱德拉意识到，不相容原理所能提供的排斥力有一个极限。这意味着，恒星变得足够紧致之时，由不相容原理引起的排斥力就会比引力的作用小。钱德拉计算出；一个大约为太阳质量一倍半的冷的恒星不能支持自身以抵抗自己的引力，这一质量被称之为钱德拉极限。

这对大质量恒星的最终归宿具有重大的意义。如果一颗恒星的质量比钱德拉塞卡极限小，它最后会停止收缩并终于变成一颗半径为几千英里和密度为每立方英寸几百吨的“白矮星”。白矮星是它物质中电子之间的不相容原理排斥力所支持的。这些恒星是由中子和质子之间，而不是电子之间的不相容原理排斥力所支持。所以它们被叫做中子星。它们的半径只有10英里左右，密度为每立方英寸几亿吨。

钱德拉指出，不相容原理不能够阻止质量大于钱德拉塞卡极限的恒星发生坍缩。在恒星引力坍缩形成黑洞时，运动会快得多，这样能量被带走的速率就高得多，所以不用太长的时间就会达到不变的状态。随着这区域继续坍缩，只要在几个钟头之内，作用到站在坍缩中的恒星表面的人头上和脚上的引力之差会变得如此之大，以至于再将其撕裂。

在恒星坍缩成黑洞后，粒子之间的作用力包括强相互作用、弱相互作用及电磁作用都不再有效。而原本微弱到几乎可以忽略不计的引力此时变得非常巨大。一切物体都会被黑洞的巨大的引力所拉近吞噬，甚至连光线都无法逃逸出去。

为什么在坍缩的恒星内部及其附近，使原子核和电子结合为原子的电性力、使质子和中子结合构成原子核的弱相互作用力、使夸克组合成质子的强相互作用都不再有效？

钱德拉的开创性工作以及霍金的深入研究表明，坍缩的恒星内部密度增加变成宇宙黑洞后，星体对外部物体的引力增大。虽然我们尚不清楚被黑洞吞噬的光是否在这种情形下已经具有了质量，但宇宙黑洞能够吞噬一切物体的特性却让科学家感到迷惑：是不是宇宙万物统一于能量？由此，科学家提出了有关大一统的一种猜测：即，能量赋予物体内在的和外在的运动能力，四种基本力是同源的，万有引力只是物体表现出来的其所蕴含的其他三种基本力的余力。否则，为何当恒星坍缩后，星体内部粒子之间的作用力失效后，引力便会变得无限大？