本报记者 李牧鸣

　　随着宇宙学步入精确观测时代，曾完美匹配各类天文观测的LCDM标准模型（宇宙学标准模型），遭遇了困扰全球学界十余年的哈勃常数危机；与此同时，占宇宙总质能95%的暗物质和暗能量无法在现有物理学框架内解释，因此被称作21世纪物理学的“两朵乌云”，成为基础物理最前沿的攻坚方向。
　　近日，由中国天文学会承办的第二十八届中国科协年会“暗能量与哈勃常数危机”专题论坛在京举行，汇聚国内天文、理论物理领域80余名专家开展深度研讨。本报记者专访中国科学院院士、宁波大学教授蔡荣根，拆解哈勃常数危机的核心矛盾，解读暗物质、暗能量背后潜藏的新物理。


　　1929年，美国天文学家哈勃发现，我们的宇宙是在不断膨胀的，并给出了速度-距离比。这个描述宇宙膨胀速度的物理量叫哈勃常数，是现代宇宙学中一个非常重要的物理量。
　　蔡荣根介绍，宇宙膨胀速度（哈勃常数）可以用不同方法测量，其中两类被广为接受。一类是精确测量早期宇宙膨胀的余辉——宇宙微波背景辐射，结合宇宙学标准模型，推断出哈勃常数；另一类则利用距离梯度方法测量临近宇宙的距离和红移，从而确定哈勃常数。十余年来，随着测量精度不断提升，人们发现这两类测量得到的哈勃常数不一致，并且差异越来越大，超过了5个标准偏差。统计学上，超过5个标准偏差通常被认为是一个真问题，必须严肃对待。这就是所谓的哈勃常数危机。
　　在哈勃常数危机出现以前，物理学家已经建立了一个非常成功的宇宙学模型——宇宙学标准模型：在宇宙演化极早期发生过一个快速膨胀阶段被称为暴胀，暴胀结束后宇宙进入辐射为主时期，接下来是物质为主时期，现在的宇宙处于暗能量主导的加速膨胀时期。粒子物理标准模型描述的物质只占现今宇宙能量的5%左右，不发光的暗物质占27%左右，而弥散在整个宇宙中的暗能量占68%左右。
　　尽管还不知道什么驱动了早期宇宙的暴胀，暗物质是什么，暗能量是什么，但所谓的LCDM模型——宇宙学标准模型与所有天文观测是一致的，这里暗物质是冷暗物质，而暗能量是宇宙学常数。现在哈勃常数危机的出现预示着：要么在相关天文观测中存在还不为我们所知的系统误差，导致测量偏差；要么宇宙学标准模型需要修改，存在还不知道的新物理。
　　蔡荣根说，这个危机涉及很多方面，有天文观测方面的，或是涉及现代宇宙学的基石——爱因斯坦的广义相对论和宇宙学原理，也可能有关暗物质和暗能量的性质，当然还可能涉及基础物理学。在问题没解决之前，科学家们必须考虑所有的可能性。


　　暗物质和暗能量被称作21世纪物理学新的“两朵乌云”。“乌云”之说，最早来自英国物理学家开尔文1900年一次演讲中提出的近代物理学隐喻。当时他指出，经典物理体系虽已完善，但仍面临两大难题：“第一朵乌云”为迈克尔逊-莫雷实验结果与以太漂移说的矛盾，“第二朵乌云”在能量均分的麦克斯韦波兹曼理论上。
　　19世纪末的“两朵乌云”导致了基础物理学的革命，产生了相对论和量子论，这两个新理论成为现代物理学的基石。而暗物质和暗能量被称为21世纪物理学的“两朵乌云”，一方面指这两者是现代物理学的重大科学问题；另一方面，表明现代物理学框架内无法解释暗物质和暗能量，人们需要突破现有框架来揭示其性质和本质。
　　暗物质和暗能量被美国物理与天文科学委员会列入21世纪希望解决的11个重大基础物理学问题，我国也将其列入国家中长期科学发展规划。毫无疑问，暗物质和暗能量问题的解决会极大推动基础物理学和宇宙学的发展，突破现有标准模型，对物理学和宇宙学带来新的认知，建立新的标准模型范式。


　　“暗能量一个最简单也最经济的解决方案是1917年爱因斯坦本人引进的宇宙学常数。如果暗能量就是宇宙学常数，则其能量密度是一个常数，不随宇宙演化改变，状态参数（压强能量密度比）总是-1。”蔡荣根说。
　　目前暗能量问题可以有三个思路：第一，是否表明在宇宙学尺度上爱因斯坦的广义相对论需要修改，这需要建立超越广义相对论的新理论；第二，现代宇宙学的基石之一宇宙学原理——“我们的宇宙在大尺度上是均匀各向同性的”，是否需要重新审视；第三，如果前两者都不存在问题，则需要考虑暗能量是宇宙学常数还是一个随时间变化的动力学能量成分。
　　研究哈勃常数危机、探索暗能量，似乎除了拓展对宇宙的认知边界，距离日常生活十分遥远。但基础科学研究在揭示自然规律之外，诞生的新技术也在广泛地造福人类。比如现在大家都离不开的互联网，是早先粒子物理学家为了同行共享实验数据而发明的；人们经常用的全球定位系统，高度依赖狭义和广义相对论的修正。
　　基础研究是整个科学体系的源头，是所有技术问题的总机关。蔡荣根认为，对于暗能量和哈勃常数危机的探索研究，会推动发展许多精密测量技术、新材料、真空技术、大数据处理技术等等，并可以在许多领域推广应用。没有基础研究的突破，就不可能产生颠覆性、突破性的技术。科学研究推动技术的突破，技术的突破反过来又推动科学的进步。