爱读书 探索 暗能量是什么?它让爱因斯坦当年做过的“蠢事”变成了“神预言”

暗能量是什么?它让爱因斯坦当年做过的“蠢事”变成了“神预言”

话说在天文学界如今有几个特别热的词:暗物质、暗能量、引力波、中微子、宇宙微波背景辐射等等。事实上,这些也是目前天文学领域的研究前沿阵地。

今天,我们就来科普一下:什么是暗能量?

宇宙在膨胀?

说起暗能量,我们就不得不从爱因斯坦说起。在爱因斯坦之前,当时有个“宇宙永恒”的观念。意思就是说,宇宙是永恒不变的,以前什么样,现在还是什么样。爱因斯坦实际上也深受这种观念的影响。

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到了1915年,爱因斯坦发表了他的广义相对论。其中广义相对论当中有一个广义相对论的场方程,爱因斯坦用这个方程来描述宇宙。但是这个方程预示着宇宙正在膨胀,这就和爱因斯坦的观念是相互矛盾的。于是,爱因斯坦就给方程加了一个“宇宙学常数”,用符号Λ表示。

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有了这个宇宙学常数,就可以使得方程所描述的宇宙处于静态,就会满足爱因斯坦“永恒宇宙”的观念。不过,爱因斯坦的这个行为遭到了一些学者的反对。其中最具代表性的是一个叫做勒梅特的神父,同时他其实也是个科学家。

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勒梅特指出,爱因斯坦这个宇宙学常数不应该是一个定值。而且宇宙其实就应该是膨胀的。照理说他本该把宇宙学常数清理出去。但事实并非如此,勒梅特认为宇宙在膨胀的,宇宙开始于一个炽热的奇点。我们可以利用宇宙学常数Λ来描述膨胀速率。

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但是勒梅特仅仅是从理论的基础上推导的,利用的也还是爱因斯坦的广义相对论场方程。科学理论的对错还是需要依靠石锤。

后来,有个叫做哈勃的天文学家,一直在观测银河系系外星系,他就发现一个问题,很多星系都有红移的现象

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所谓红移,说白了就是我们观测到的这些星系的电磁波信号的波形被拉长了,在光谱上显示的就是往红段移动,因此被称为红移。红移现象意味着这个星系在离我们原理。

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而且哈勃还发现,距离我们越远的星系,红移量越大,这说明远离我们的速度越快。那到底是什么原理导致星系在红移呢?

哈勃并没有给出答案,而是提出了哈勃定律来描述星系的退行。这个定律现在改名叫做哈勃-勒梅特定律。

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虽然勒梅特的理论早于哈勃的观测,但是勒梅特的理论其实和哈勃的观测是相互印证的,也就是说,宇宙大概率是在膨胀的。可能你要问了,为什么是空间膨胀,而不是星系自己运动?

其实这个依据来自于哈勃发现的第二个规律,那就是离我们越远的星系退行越快。如果是星系自己动,那每个星系都会有自己的退行速度,而不是和距离我们的远近存在线性关系。

因此,其实宇宙的膨胀应该是整体性的膨胀,具体我们可以理解成,如果你在一个气球上点上小点,代表星系,那宇宙的膨胀就类似于把气球吹大。如果你仔细观测气球上面的点,就会发现,他们是在相互远离,而且你取其中一个点为参考系,那距离这个点越远的点,退行的就越快。

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所以,宇宙是在膨胀的,宇宙起源于一个炙热的起点。哈勃的发现使得很多人觉得这个宇宙学常数Λ根本没有存在的必要,希望把宇宙学常数请出广义相对论的场方程。

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传说当爱因斯坦知道哈勃的发现时,他是十分懊悔自己当年的“一厢情愿”,错过了预言“宇宙膨胀”的功绩。

后来,科学家弗里德曼,伽莫夫,包括本次的诺奖得主吉姆·皮布尔斯都加入到完善这个理论的队伍当中。这个理论被逐渐完善成了如今我们熟悉的宇宙大爆炸理论。

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暗能量

说了这么多,你可能要寻思了,这和暗能量有什么关系?

实际上关系大的很。上文中,我们就聊到了勒梅特用宇宙学常数Λ描述宇宙膨胀的速率。但是,其实科学家一直没搞懂宇宙到底是如何膨胀的。当时最主流的看法是这样的,宇宙早期经历了一次剧烈的膨胀,后来,逐渐开始减速膨胀,一直持续至今。

不过,科学家在计算宇宙质量的时候,就发现宇宙的质量竟然是一个负数。经过了多次检查之后,确认了没有计算错误。于是,他们就在观测中寻找原因。在1998年,有两个科学家在独自观测了Ia型超新星后,发表了宇宙加速膨胀的结论。这一下子引起了整个学术圈的震动。后来,领导这两个小组的负责人也在2011年获得了诺贝尔物理学奖。

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他们的发现,也预示着宇宙中存在这一种和引力相反的作用力,也就是斥力,这种作用可以迫使宇宙加速膨胀,我们把提供这个力的物质叫做:暗能量。科学家发现,暗能量其实是空间有关,随着宇宙空间的增大,暗能量提供的斥力就会越来越大。在距今45亿年前,宇宙中的暗能量所提供的斥力大于了暗物质和已知物质提供的引力,于是,宇宙开始加速膨胀。

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因此,宇宙一开始是剧烈膨胀了一下,后来持续了几十亿年的减速膨胀,后来空间达到了现在宇宙空间的75%,就又开始加速膨胀了。

科学家还能利用宇宙微波背景辐射来计算暗能量在宇宙中的占比,根据最新的数据,我们可以知道暗能量占到了宇宙中最物质量的68.9%。这个比例要远高于暗物质和已知物质的。

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而我们可以观测到的已知物质其实只占宇宙总物质量不到5%。但是暗能量到底是什么,目前无人能给出一个令人信服的理论,天文学家关于它的加速千奇百怪什么都有。

但有一定是可以确定的,那就是暗能量和宇宙学常数Λ有关,更直白地说,暗能量和宇宙的膨胀速率有关,因此宇宙学常数Λ得以复生。暗能量的存在使得爱因斯坦当年的“一厢情愿”成为现实,只不过两者的取值不同罢了。这也算是科学史上一个“反转”

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