暗能量

暗能量

在物理宇宙學中,暗能量是一種充溢空間的、增加宇宙膨脹速度的難以察覺的能量形式。暗能量假說是當今對宇宙加速膨脹的觀測結果的解釋中最為流行的一種[1]。在宇宙標準模型中,暗能量佔據宇宙68.3%的質能。

暗能量和暗物質是一種不可見的、能推動宇宙運動的能量,宇宙中所有的恆星和行星的運動皆是由暗能量與萬有引力來推動的。根據"普朗克"探測器收集的資料,科學家對宇宙的組成部分有了新的認識,宇宙中普通物質和暗物質的比例高于此前假設(30%),而暗能量這股被認為是導致宇宙加速膨脹的神秘力量則比想象中少,佔68.3%。 暗能量是宇宙學研究的一個裏程碑性的重大成果。支持暗能量的主要證據有兩個。一是對遙遠的超新星所進行的大量觀測表明,宇宙在加速膨脹。按照愛因斯坦引力場方程,加速膨脹的現象推論出宇宙中存在著壓強為負的"暗能量"。

  • 中文名稱
    暗能量
  • 外文名稱
    Dark energy

基本簡介

在物理宇宙學中,暗能量是一種充溢空間的、增加宇宙膨脹速度的難以察覺的能量形式。暗能量假說是當今對宇宙加速膨脹的觀測結果的解釋中最為流行的一種。在宇宙標準模型中,暗能量佔據宇宙68.3%的質能。

暗能量

宇宙的原始狀態是沒有任何東西的,原始態是靜止的,宇宙的初始狀態是先有力,再有空間。後有子。力一矢恆時間就產生了。力沒有變化的話也就沒有時間。可力失恆後力大的那一邊就會不斷變大,小的那邊就不斷變小。大的那一邊就是我們現在的這一邊,小的那一邊就是那個負值空間。《這是相對而言》即所謂的暗能量。時間也是逆向運行。這是我們所無法理解的。可他們相互間的力的臨界點被打破《一個往大的那邊跑,一個往小的那邊跑》即他們就從中一分為二,這樣宇宙中的原始的空間就形成了。一個是明空間,即所謂的可見光物質,另一個就是這裏所稱的暗空間,暗物質,也就是我們所知的最小的那個‘子’。即所謂那些原子中子啊等等裏邊最小的那個核。

宇宙學中,暗能量是某些人的猜想,指一種充溢空間的、具有負壓強的能量。按照相對論,這種負壓強在長距離類似于一種反引力。這個猜想是解釋宇宙加速膨脹和宇宙中失落物質等問題的一個最流行的方案。天文學家埃德溫·哈勃發現宇宙中的其它星系似乎都在向著距離人們生活的銀河系越來越遠的方向移動。而且它們移動的越遠,運行的速度就越快。但是,天體物理學家此前曾經指出,引力會使得宇宙的膨脹速度逐漸減緩。之後在1998年,兩個研究小組通過觀察Ia型超新星—種罕見的恆星爆炸的現象,能夠釋放出數量巨大的,持久的光——顛覆了天體物理學家提出的理論。

通過仔細測量來自這些活動的光是怎樣向著可見光譜中紅色的一端變化的——類似于當火車汽笛聲離你越來越遠時,聲調也會越來越低的“多普勒效應”。“真空”(有科學家認為“真空”不空)空間本身似乎也在作為一種能夠將物質分離開來的力量起作用。

暗能量主要有兩種模型:宇宙學常數(即一種均勻充滿空間的常能量密度)和quintessence(即一個能量密度隨時空變化的動力學場)。區分這兩種可能需要對宇宙膨脹的高精度測量和對膨脹速度隨時間變化更深入的理解。因為宇宙膨脹速度由宇宙學物態方程來描寫,所以測量暗物質的物態方程是當今觀測宇宙學的最主要問題之一。

暗能量

在物理宇宙學中,暗能量是一種充溢空間的、增加宇宙膨脹速度的難以察覺的能量形式。暗能量假說是當今對宇宙加速膨脹的觀測結果的解釋中最為流行的一種[1]。在宇宙標準模型中,暗能量佔據宇宙73%的質能。

暗能量現有兩種模型:宇宙學常數(即一種均勻充滿空間的常能量密度)和標量場(即一個能量密度隨時空變化的動力學場,如第五元素和模空間)。對宇宙有恆定影響的標量場常被包含在宇宙常數中。宇宙常數在物理上等價于真空能量。在空間上變化的標量場很難從宇宙常數中分離出來,因為變化太緩慢了。

對宇宙膨脹的高精度測量可以使我們對膨脹速度隨時間變化有更深入的理解。在廣義相對論中,膨脹速度的變化受宇宙狀態方程式的影響。確定暗物質的狀態方程式是當今觀測宇宙學的最主要問題之一。

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加入宇宙學常數後,宇宙學標準羅伯遜-沃爾克度規可以導出Λ-冷暗物質模型,後者因與觀測結果的精確吻合而被稱為宇宙“標準模型”。暗物質被認為是當今形式化宇宙迴圈模型的至關重要的一個因素。

暗能量這個名詞是由邁克·透納引進的。

概念起源

關于暗能量概念的起源,還得追溯到科學巨匠愛因斯坦他在1917年由他在兩年前提出的廣義相對論導出的一組引力方程式,方程式的結果都預示著宇宙是在做永恆的運動,這個結果與愛因斯坦的宇宙是靜止的觀點相違背,為了使這個結果能預示宇宙是呈靜止狀態愛因斯坦又給方程式引入了一個項,這個項稱之為的“宇宙常數”。

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1997年12月,作為“大紅移超新星搜尋小組”的成員的哈佛大學天文學家羅伯特·基爾希納根據超新星的變化顯示,宇宙膨脹速度非但沒有在自身重力下變慢反而在一種看不見的、無人能解釋的、神秘力量的控製、推動下變快,人們隻是猜測:所處的這個宇宙可能處于一種人類還不了解、還未認識到的繼目前物質的固態、液態、氣態、“場態”之後另一種物質狀態的物質控製、作用之下,這種物質不同于普通物質的一切屬性及其存在和作用機製,這種“物質”因其絕對不同于人們所熟知的普通物質態,故而科學家為了區分它們暫且將它稱之為“暗物質”、將其具備的作用稱之為“暗能量”,“暗物質”就成為當今天文學界、宇宙學界和物理學界等等科學界中最大的謎團之一。後來人們經過哈勃空間望遠鏡觀測發現,事實上宇宙是在不斷膨脹著的並且這一觀測結果完全與引入“宇宙常數”之前的引力方程的計算結果相符合,愛因斯坦得知“實際上的宇宙是在膨脹著的”這個訊息後非常後悔,因此他認為:“引入宇宙常數是我這一生所犯的最大錯誤!”現在看來,他的結論下得過早。此後那個“宇宙常數”便被人們所遺忘,後來的一次天文探測宇宙可能在加速膨脹,這就預示著宇宙中存在著某種“巨大的東西”,此後這個“宇宙常數”被賦予“暗能量”的含義。當科學家們一再通過各種的觀測和計算證實,暗能量在宇宙中的確約佔到73%暗物質約佔到23%普通物質僅佔到4%,這可是一個驚人的數位和訊息,這將預示著人們看到的宇宙、認識到的宇宙隻佔整個宇宙的4%的比例,而佔96%(57年諾貝爾獎得主李政道先生甚至還認為是99%以上)的東西竟然是不為我們所知道的。關于暗物質和暗能量的客觀存在性1957年諾貝爾獎得主李政道先生在他所著的《物理學的挑戰》中已經詳細而全面的論證了。

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在新世紀之初美國國家研究委員會發布一份題為《建立誇克與宇宙的聯系:新世紀11大科學問題》的研究報告,科學家們在報告中認為,暗物質和暗能量應該是未來幾十年天文學研究的重中之重,“暗物質”的本質問題和“暗能量”的性質問題在報告所列出的11個大問題中分列為第一、第二位。

美國航天局在軌道中運行的威爾金森微波儀探測衛星收集到的材料也證明超新星在發生同樣的變化。這些變化的含義的確令科學家忐忑不安,因為這將預示著愛因斯坦、霍金等理論家可能都錯了,影響並決定整個宇宙的力量不是引力和重力等已知作用力,而是以“宇宙常量”形式存在的“暗能量”和“暗物質”。所以有人認為,暗能量在宇宙中更像是一種背景和一種“超導體”,它就像是空氣相對于人類或者是大海相對于魚兒一樣,故爾在宇宙物理學上它的確表現得更像一個真空,因此也有人把“暗能量”稱之為“真空能”。真空是不是就是“暗能量”?“暗能量”是不是就是“真空能”呢?如果真空真是“暗能量”那麽就應該具備一切能量的基本屬性和基本特征—力量。可見真空是否具備力的特征和力的屬性也就成為“暗能量”成為真空的前提條件。

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綜上所述可以看出,所有矛盾的焦點都集中在真空是否具備力的屬性這個問題上,如果真空一旦被證明具備力的屬性,那麽“真空力”就成為獨立于萬有引力、電磁力、強力和弱力之後在自然界中普遍存在著的第五種自然作用力即“第五種力”;那麽真空就是物理學史上已經被拋棄的“以太”;而“以太”其實就是真空的某一種效應;那麽真空也就是那個佔整個宇宙96%以上的份額並控製著整個宇宙的神秘能量—“暗能量”,這一切的一切就因為真空有力而變為現實、變為可知的。故爾真空是否具備力的屬性也就成為本文的核心中的焦點。眾所周知,物理學其本身就是一門以實驗為基礎的科學,從伽利略的比薩斜塔實驗到邁克耳遜——莫雷實驗,在高科技下的各種高能物理粒子實驗無不說明實驗方法在物理學中佔據著非常重要的地位並發揮著重要的作用。每一個新理論的背後都必須有著堅實的實驗作為後盾,每一個新實驗現象的出現也必將引發一套全新的理論體系,所以實驗是尋找並證實真空力的屬性的主要方法和途徑。

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另一方面,不與輻射耦合的暗物質,其微小的漲落在普通物質脫耦之前就放大了許多倍。在普通物質脫耦之後,已經成團的暗物質就開始吸引普通物質。因此這需要一個初始的漲落,但是它的振幅非常非常的小。這裏需要的物質就是冷暗物質,由于它是無熱運動的非相對論性粒子因此得名。在開始闡述這一模型的有效性之前,必須先交待一下其中最後一件重要的事情。對于先前提到的小擾動(漲落),為了預言其在不同波長上的引力效應,小擾動譜必須具有特殊的形態。為此,最初的密度漲落應該是標度無關的。也就是說,如果把能量分布分解成一系列不同波長的正弦波之和,那麽所有正弦波的振幅都應該是相同的。暴漲理論的成功之處就在于它提供了很好的動力學出發機製來形成這樣一個標度無關的小擾動譜(其譜指數n=1)。WMAP的觀測結果證實了這一預言,其觀測到的結果為n=0.99±0.04。

但是如果人們不了解暗物質的性質,就不能說已經了解了宇宙。現在已經知道了兩種暗物質—中微子和黑洞。但是它們對暗物質總量的貢獻是非常微小的,暗物質中的絕大部分現在還不清楚。

形成過程

宇宙暗能量其基本特征是具有負壓,在宇宙空間中幾乎均勻分布或完全不結團。在WMAP資料顯示,暗能量在宇宙中佔總物質的73%。值得註意的是,對于通常的能量(輻射)、重子和冷暗物質,壓強都是非負的,所以必定存在著一種未知的負壓物質主導今天的宇宙

宇宙的運動都是旋渦型的,所以暗能量總是以一種旋渦運動的形式出現。所以,在暗能量的旋轉範圍內能形成一種旋渦場,我們稱之為暗能量旋渦場,簡稱為旋渦場。用En來表示太陽系的暗能量,用Ep來表示物質繞太陽系中心運動的總動能。當En=Ep時,太陽系旋渦場處于平衡狀態,它既不會膨脹也不會收縮。但當En衰退時,太陽系旋渦場就會收縮,太陽系中所有的行星就會向太陽靠近。

要提及暗能量,不得不先提及另外一個和它密切相關的概念—暗物質,之所以將其稱之為暗物質而不是物質就是因為它與一般的普通物質有著根本性的區別。普通物質就是那些在一般情況下能用眼睛或借助工具看的見、摸得著的東西,小到原子、大到宇宙星體,近到身邊的各種物體遠到宇宙深處的各種星系。普通物質總是能與光或者部分波發生相互作用或者在一定的條件下自身就能發光、或者折射光線,從而被人們可以感知、看見、摸到或者借助儀器可以測量得到,但是暗物質恰恰相反,它根本不與光發生作用更不會發光,因為不發光又與光不發生任何作用,所以不會反射、折散或散射光即對各種波和光它們都是百分之百的透明體!所以在天文上用光的手段絕對看不到暗物質,不管是電磁波、無線電還是紅外射線、伽馬射線、X射線這些統統都毫無用處,故爾不被人們的感知所感覺也不被目前的儀器所觀測,故此為了區分普通物質和這種特殊的物質而將這種特殊的物質稱之為“暗物質”。

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“暗能量”相比較暗物質更是奇特的有過之而無不及,因為它隻有物質的作用效應而不具備物質的基本特征,所以都稱不上物質故爾將其稱之為“暗能量”,“暗能量”雖然也不被人們所感覺也不被目前各種儀器所觀測,但是人們憑借理性思維可以預測並感知到它的確存在。由于微波背景輻射的細致觀測(WMAP的精密資料,SupernovaeIa的資料),呈現以下一些驚人的觀測結果和資料:

a)宇宙輻射模型(RUM)計算宇宙年齡為148.85±0.4億歲

b)哈勃常數是71±4公裏/秒/Mpc

c)宇宙呈現以下結構,宇宙總質量(100%)≌重子+輕子(4.4%)+熱暗物質(≤2%)+冷暗物質(≈20%)+暗能量(73%),而總密度Ω0=1.02±0.02,亦即恰好差不多等同于平直空間所要求的臨界密度。(這個公式的意思是,在整個宇宙中我們目前所看到的星系隻佔整個宇宙的約4%左右,其餘約96%的物質都是我們看不見、不了解的東西。)

d)“暗能量”將呈現一些前所未有的一些全新的性質:物質的狀態方程由P=Wρn所表示,(其中P是壓力,ρ是密度,W是某一常數,n是某一數值),普通物質W≥0,P≥0,ρ≥0,這就意味著物質所產生的壓力表現為正數、正值。

發現過程

暗能量的發現過程極富戲劇性。按照宇宙大霹靂理論,在大霹靂發生之後,隨著時間的推移,宇宙的膨脹速度將因為物質之間的引力作用而逐漸減慢,就像緩慢踩了剎車的汽車一樣。也就是說,距離地球相對遙遠的星系,其膨脹速度應該比那些近的星系慢一些。

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但1998年,美國加州大學伯克利分校(UCBerkeley)物理學伯克利國家實驗室(LBNL)高級科學家索爾皮爾姆特(SaulPerlmutter),以及澳大利亞國立大學布賴恩施密特(BrianSchmidt)分別領導的兩個小組,通過觀測發現,那些遙遠的星系正在以越來越快的速度遠離我們。換句話說,宇宙是在加速膨脹,仿佛一輛不斷踩油門的汽車,而不是像此前科學家所預測的那樣處于減速膨脹狀態。

這樣一個完全出乎意料的觀測結果,從根本上動搖了對宇宙的傳統理解。那麽到底是什麽樣的力量,在促使所有的星系或者其他物質加速遠離呢?科學家們將這種與引力相反的斥力來源,稱為“暗能量”。但“暗能量”到底意味著什麽?至今我們能夠給出的,隻是一個十分粗略的宇宙結構“金字塔圖景”:所熟悉的世界,即由普通的原子構成的一草一木、山河星月,僅佔整個宇宙的4%,相當于金字塔頂的那一塊。

下面的22%,則為暗物質。這種物質由仍然未知的粒子構成,它們不參與電磁作用,無法用肉眼看到。但其和普通物質一樣,參與引力作用,因此仍可能探測到。 作為塔基的74%,則由最為神秘的暗能量構成。它無處不在,無時不在,由于我們對其性質知之甚少,所以科學家還不清楚如何在實驗室中驗證其存在。惟一的手段,仍然是通過天文觀測這種間接手段來了解其奧秘。

對Ia類型超新星(supernova)的爆發進行觀測,則是目前最主要觀測手段。這種超新星是由雙星系統中的白矮星(whitedwarf)爆炸形成的,亮度幾乎恆定。這樣,通過測量其亮度,就可以知道其和地球之間的距離,進而了解其速度。

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借助哈勃這樣靈敏的天文儀器的幫助,我們至少可以觀測到90億光年之外,即了解宇宙在90億年前的信息。霍普金斯大學教授阿德姆瑞斯展示的最新“暗能量”場景如下:

在大霹靂後的初期,宇宙經歷了一個急速膨脹階段。此後,由于暗物質以及物質之間的距離非常接近,在引力作用下,宇宙的膨脹速度開始減速。

然而,至少在90億年前,宇宙中另外一種力量——表現為排斥力的發生的量的暗能量已經出現,並且開始逐步抵消引力作用。暗物質

隨著宇宙的膨脹,不斷成長的暗能量終于在大約50億至60億年前超越引力。此後,宇宙從減速膨脹,轉變為加速膨脹狀態,並且一直持續至今。

研究意義

暗能量是什麽,它的存在意味著什麽?科學家才剛開始嘗試回答這些問題。暗能量對宇宙整體的作用泄漏了它的行蹤,而人們逐漸意識到,暗能量不僅對整個宇宙有影響,似乎也能操控宇宙的居民,指引恆星、星系和星系團(galaxycluster)的演化進程。雖然以前並沒有意識到暗能量對這些結構的影響,但天文學家們幾十年來一直在研究它們的演化過程。

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諷刺的是,暗能量的無處不在,反而讓人們很難意識到它的存在。暗能量與物質不同,它是均勻分布的,不會在某個地方聚集成團。不論是在你家的廚房,還是在星際空間,暗能量的密度都完全一樣,約為10^-26千克/立方米,相當于幾個氫原子的質量。太陽系中所有的暗能量加起來,與一顆小行星的質量差不多,在行星的“舞蹈”中,幾乎起不了作用。隻有在巨大的空間尺度上和時間跨度上,才能體現出暗能量的影響力。

宇宙未來

如果這些替代的暗能量理論能夠成立,它們所指向的將是截然不同的宇宙未來:

根據精質等動力學標量場(scalarfield)模型,宇宙的未來將復雜得多;也許將繼續加速膨脹下去,也許會減緩膨脹的速度,甚至走向收縮,導致宇宙最終以與大霹靂相反的“大坍縮”(bigcrunch)收場。

如果據幽靈模型,暗能量將不斷增大,也許導致宇宙以越來越快的加速度膨脹。最終,宇宙將走向“大撕裂”(bigrip)。

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精靈模型則給出了一個“振蕩的未來”。張新民對《財經》表示,根據他提出的這一理論,整個宇宙將在加速膨脹和減速膨脹之間反復演繹,“大坍縮”和“大撕裂”這兩種極端的情況都不會出現。

最大的困難,在于迄今為止,能夠研究暗能量的手段仍然十分有限。目前,最主流的仍然是借助超新星的觀測。但有些人擔心,特別是在宇宙早期,可能超新星的亮度也不是恆定的,它也有自己的演化過程。

即使這種擔心可以排除,鑒于這些超新星距離地球非常非常遙遠,觀測它們的難度,在瑞斯看來就像在兩個月球的距離之面板測一個60瓦的燈泡。即使哈勃望遠鏡具有非常高的敏感度,也存在難以消除的系統誤差

通過對大尺度宇宙結構(比如星系團等)的研究,或許能為暗能量提供新的線索。一旦暗能量存在的話,星系團的形成過程可能要更慢一些,因為引力需要先克服這種斥力。

目前,一個空間探測計畫斯隆數位巡天(SDSS)已經完成了第一階段為期五年的運行,一旦全部完成之後,這一足以覆蓋四分之一的天空的精細光學成像設備,無疑將披露更多的細節。

目前中國科學家也正在嘗試利用北京附近新上馬的LAMOST(大天區面積多目標光纖光譜望遠鏡)來觀測超新星,從而探索在中國首次進行暗能量實驗研究的可能性。而利用伽馬暴(超大質量星體爆發而形成的宇宙高能輻射),也許將為進一步研究更早期的暗能量提供間接手段。

北京師範大學物理學教授朱宗宏在接受《財經》記者採訪時指出,目前對于伽馬暴天文學的探索還處在初級階段,有點類似于1998年暗能量剛被發現時的超新星天文學,但其某些性質,從長期來看仍然有可能用來研究暗能量。

那麽,是否有可能利用實驗室來直接研究暗能量呢?一些人已經宣稱,可以利用納米技術來實現這一目標。瑞斯在接受《財經》採訪時表示,一些科學家也希望利用短距離(short-range)的引力實驗,發現暗能量的線索。

美國加州理工學院(CIT)的物理學家西恩卡羅爾(SeanCarroll)也對《財經》記者強調,要找到一個更具確定性的模型,不僅需要天文學上的資料,可能更需要來自粒子物理學的證據。尤其是2007年即將在歐洲投入運行的大型強子對撞機(LHC),或許“我們可以期待”。

由于對暗能量的性質、包括與其他物質的反應機理還不清楚,很多科學家認為,短期之內還無法對實驗室內的工作寄予太大希望;更為現實的渠道,或許仍來自天文觀測。

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如果不出意外,普朗克(PLANCK)探測器將于2007年一季度正式升空,它將對天空進行更加精密的探測。在接受《財經》記者採訪時,皮爾姆特也表示,由它所在的實驗室負責設計的超新星加速探測器(SNAP),按照計畫將于2013年或者2014年升空。

“在未來五到十年中,我們對于暗能量的性質或許將有更加清晰的了解。”英國諾丁漢大學物理與天文學院教授克裏斯托弗康瑟利斯(ChristopherConselice)對《財經》記者說。

幾乎沒有人否認,暗能量對于整個宇宙學乃至物理學而言,都不啻是一場革命。1979年諾貝爾物理學獎得主斯蒂芬溫伯格(StevenWeinberg)曾明確表示,“如果不解決暗能量這個‘路障’,我們就無法全面理解基礎物理學。”著名華裔物理學家、1957年諾貝爾物理學獎得主李政道也斷言,暗能量將是21世紀物理學面臨的最大挑戰。

但是,何時是這個“絕對配得上諾貝爾獎”的問題的終點,目前還是一個巨大的問號。正如卡羅爾在接受《財經》記者採訪時所言,“目前還沒有任何理論,配得上這一獎賞。”

瑞斯也對《財經》記者強調,理論工作非常困難。在這樣一個十分前沿的領域,何時能取得突破,的確難以預測。

在康瑟利斯看來,一旦暗能量得以真正證實,1998年兩個超新星觀測小組的負責人皮爾姆特、施密特,以及其他從事宇宙背景微波輻射研究工作的,都是比較有可能的候選人。也就在2006年6月,皮爾姆特、施密特和瑞斯三人,因在這個領域的傑出貢獻,共同分享了該年度的“邵逸夫天文學獎”。

暗能量模型

中國科學院理論物理研究所研究員李淼曾經半開玩笑地表示:“有多少暗能量專家,就有多少暗能量模型。”也許這種說法不無誇張之處,但暗能量在理論方面的混沌狀況,從中也可見一斑。

其中,最具戲劇性的理論,則是復活愛因斯坦當年提出的“宇宙常數”(cosmologicalconstant)。1917年,被認為是整個20世紀最偉大的科學家阿爾伯特愛因斯坦(AlbertEinstein),為了建立一個穩態宇宙模型,最早提出了這個概念。不過,後來就連他本人也承認,“宇宙常數”隻是一個錯誤的概念。

但暗能量的存在,則為宇宙常數提供了新的可能性。如果暗能量就是這個宇宙常數的話,那麽它的力量強弱將隻和宇宙的大小有關。隨著宇宙的膨脹,其體積逐漸增大,因而暗能量也將逐漸增大。最終,它會達到一個臨界點,使得宇宙從減速狀態變成加速狀態,並且一直加速下去。

中國科學院高能物理所研究員張新民在《財經》指出,迄今為止的觀測結果,包括瑞斯最新的結果在內,與愛因斯坦的宇宙常數理論“都很符合”。

但是,宇宙常數距離成為一種確定性的暗能量理論還差得很遠。一些科學家半開玩笑地說,按照這種模型,宇宙將一成不變地加速膨脹下去,未免太“枯燥”(boring)了一些。當然,最為致命的是,按照量子場論計算出來的宇宙常數,比天文觀測獲得的上限至少也要高出10的120次方倍。

一個最為詭異但不乏科學依據的解釋,是“多宇宙論”。觀測和理論或許都沒有錯,事實上,在我們生存的宇宙之外,還存在多到無法計數的其他的宇宙。科學家們可以想像到的宇宙數量不是以萬或者億來計算的,很可能多到10的1000次方個。每個宇宙都有不同的宇宙常數,而我們恰恰生存在一個宇宙常數很小的宇宙中。仿佛冥冥之中有一個“上帝之手”,把一個適合智慧生命生存的宇宙呈現面前。

但對于這種寄希望多宇宙存在的“人擇原理”(anthropicprinciple),在天文學家和物理學家中間都存在很大的爭議。更為尖銳的批評,則認為這種解釋與其說是一種科學理論,倒不如說更像一種宗教信仰。

為避免這種沖突,科學家們提出個各種暗能量理論,來代替宇宙常數模型。其中比較有代表性的包括精質(quintessence)模型、幽靈(phantom)模型等,張新民和中國科學技術大學物理學教授李淼也分別提出了精靈(quintom)和全息(holographic)模型。

目前爭論

通過對遙遠星系團發出的X射線進行觀測和分析,歐洲航天局科學家最近得出了與暗能量理論不符的結果。不過專家指出,新結果是否意味著人們一直探討的宇宙暗能量“或許並不存在”,仍需更多的觀測研究來證明。

愛因斯坦的廣義相對論做出過暗能量的假設。據推測,不可見的暗能量可能佔據了宇宙質量的大部分,能夠產生與引力相反的排斥力,這也許可以解釋為什麽宇宙會出現加速膨脹現象。

關于暗能量理論目前仍有爭論。一些科學家認為,要驗證暗能量是否存在,辦法之一是比較各星系團中熾熱氣體的比例。

星系團由成百上千個星系組合而成,其半徑達數百萬光年。星系團的特點之一是其中有大量熾熱氣體,溫度在1000萬到1億攝氏度之間。歐洲航天局的XMM牛頓天文望遠鏡最近捕捉到了古老的遙遠星系團發出的X射線。科學家對此進行分析後得出了這些古老星系團中熾熱氣體所佔的比例。他們將這些資料與距地球最近也就是最年輕的星系團中熾熱氣體所佔比例進行了比較,結果發現二者沒有差別。

科學家認為,隻有假設宇宙中沒有暗能量才能解釋這一現象。

暗物質和暗能量之謎

21世紀初科學最大的謎是暗物質和暗能量。它們的存在,向全世界年輕的科學家提出了挑戰。暗物質存在于已知的物質之外,人們目前知道它的存在,但不知道它是什麽,它的構成也和人類已知的物質不同。在宇宙中,暗物質的能量是人類已知物質的能量的5倍以上。

暗能量更是奇怪,以人類已知的核反應為例,反應前後的物質有少量的質量差,這個差異轉化成了巨大的能量。暗能量卻可以使物質的質量全部消失,完全轉化為能量。宇宙中的暗能量是已知物質能量的14倍以上。

圍繞暗物質和暗能量,李政道闡述了他最近發表文章探討的觀點。他提出“天外有天”,指出“因為暗能量,我們的宇宙之外可能有很多的宇宙”,“我們的宇宙在加速地膨脹”且“核能也許可以和宇宙中的暗能量相變相連”。

1915年,愛因斯坦根據根據他的相對論得出推論:宇宙的形狀取決于宇宙質量的多少。他認為,宇宙是有限封閉的。如果是這樣,宇宙中物質的平均密度必須達到每立方釐米5×10的負30次方克。但是,迄今可觀測到的宇宙的密度,卻比這個值小100倍。也就是說,宇宙中的大多數物質“失蹤”了,科學家將這種“失蹤”的物質叫“暗物質”。

一些星體演化到一定階段,溫度降得很低,已經不能再輸出任何可以觀測的電磁信號,不可能被直接觀測到,這樣的星體就會表現為暗物質。這類暗物質可以稱為重子物質的暗物質。

還有另一類暗物質,它的構成成分是一些帶中性的有靜止質量的穩定粒子。這類粒子組成的星體或星際物質,不會放出或吸收電磁信號。這類暗物質可以稱為非重子物質的暗物質。Abell 2390星系團(右上半圖)和MS2137.3-2353星系團(右下半圖),距離我們約有20億光年遠。圖右半方的影像,是哈勃太空望遠鏡所的假色照片,而相對應的左半方影像,是由錢卓拉X射線觀測站所拍攝的X射線影像。雖然哈勃望遠鏡的影像中,可以看到數量眾多的星系,但在X射線影像裏,這些星系的蹤影卻無處可尋,隻見到一團溫度有數百萬度,而且會輻射出X射線的熾熱星系團雲氣。除了表面上的差異外,這些觀測其實還含有更重大的謎團呢。因為右方影像中星系的總質量加上左方雲氣的質量,它們所產生的重力,並不足以讓這團熾熱雲氣乖乖地留在星系團之內。事實上再怎麽細算,這些質量隻有“必要質量”的百分之十三而已!在右方哈伯望遠鏡的深場影像裏,重力透鏡效應影像也指出造成這些幻像所需要的質量,大于哈勃望遠鏡和錢卓拉觀測站所直接看到的。學家認為,星系團內大部分的物質,是連這些靈敏的太空望遠鏡也看不到的“暗物質”。

1933年,瑞士天文學家茲威基發表了一個驚人結果:在星系團中,看得見的星系隻佔總質量的1/300以下,而99%以上的質量是看不見的。不過,茲威基的結果許多人並不相信。直到1978年才出現第一個令人信服的證據,這就是測量物體圍繞星系轉動的速度。我們知道,根據人造衛星運行的速度和高度,就可以測出地球的總質量。根據地球繞太陽運行的速度和地球與太陽的距離,就可以測出太陽的總質量。同理,根據物體(星體或氣團)圍繞星系運行的速度和該物體距星系中心的距離,就可以估算出星系範圍內的總質量。這樣計算的結果發現,星系的總質量遠大于星系中可見星體的質量總和。結論似乎隻能是:星系裏必有看不見的暗物質。那麽,暗物質有多少呢?根據推算,暗物質佔宇宙物質總量的20—30%才合適。

天文學的觀測表明,宇宙中有大量的暗物質,特別是存在大量的非重子物質的暗物質。據天文學觀測估計,宇宙的總質量中,重子物質約佔2%,也就是說,宇宙中可觀測到的各種星際物質、星體、恆星、星團、星雲、類星體、星系等的總和隻佔宇宙總質量的2%,98%的物質還沒有被直接觀測到。在宇宙中非重子物質的暗物質當中,冷暗物質約佔70%,熱暗物質約佔30%。

標準模型給出的62種粒子中,能夠穩定地獨立存在的粒子隻有12種,它們是電子、正電子、質子、反質子、光子、3種中微子、3種反中微子和引力子。這12種穩定粒子中,電子、正電子、質子、反質子是帶電的,不能是暗物質粒子,光子和引力子的靜止質量是零,也不能是暗物質粒子。因此,在標準模型給出的62種粒子中,有可能是暗物質粒子的隻有3種中微子和3種反中微子。

確認暗能量存在

天文學家確認暗能量存在,證實宇宙加速膨脹

據英國廣播公司(BBC)網站報道,運用最先進的天文測量技術,日前天文學家通過巡天觀測確認了神秘的暗能量的存在。暗能量佔據宇宙全部物質的74%,它是宇宙加速膨脹的推手。宇宙的膨脹進程處于兩種相克的力量平衡之中,如同陰陽相克。其中的一種力量是引力,它們的作用使膨脹減速,而另一種強大的反製力量則是暗能量,它使宇宙加速膨脹。而現在看來,暗能量勝出了。這項研究基于科學家們對20萬個星系進行的觀測。研究人員運用兩種不同的手段來對先前的暗物質觀測結果進行驗證。《英國皇家天文學會月刊公告》已經接受了該小組提交的兩篇論文,並將在近期刊載。

暗能量

此次運用的兩種天文測量方法中,一種手段是對宇宙中星系的分布狀況進行考察,找出其中的模式。這種模式被稱為“重子聲學振蕩”(baryon acoustic oscillations, BAO)。

第二種手段是測量宇宙中不同時期星系團的形成速度差異。這兩種方法的結果都證實了宇宙中暗能量的存在以及宇宙的加速膨脹事實。

暗能量的概念最早是上世紀90年代,天文學家們在對遙遠的超新星進行觀測時首次提出來的。

愛因斯坦是正確的

為了解釋宇宙為何會加速膨脹,天文學家和物理學家們面臨兩種選擇:或者重寫愛因斯坦的理論,或者去接受這樣一種觀點,那就是宇宙中充滿著一種全新的,我們完全不了解的神秘能量。

克裏斯·布萊克(Chris Blake)博士來自澳大利亞墨爾本的斯威大學部技大學,也是這一研究的合作者之一。他說:“暗能量起到的作用就像是你向上拋出一個球,然後你發現它加速向上飛去。並且越飛越快。這樣的結果告訴我們,暗能量是一個宇宙常數,正如愛因斯坦最初提出的那樣。如果隻考慮引力,我們不可能觀察到這樣的現象。”

這些最新的發現結果來自一項名為“WiggleZ”的星系巡天項目,這一項目始于2006年,于今年完成。這一項目使用了美國宇航局星系演化探測器(Galex)和澳大利亞賽丁泉天文台英-澳望遠鏡的資料。

這一巡天項目對前所未有的廣袤空間內的星系分布進行了考察,相當于回溯80億年的時間,當時的宇宙僅有今天年齡的一半。

宇宙學家鮑勃·尼科(Bob Nicholl)表示:“這是一項重大的進展。這些參與者都是這方面的大家,我們等待他們的結果已經有一段時間了。”

尼科博士本身是英國樸茨茅斯大學的天體物理學教授,他說:“這是對暗能量存在的再次確證,讓我們能更好的修正我們的理論並為我們指明未來的道路。接下來很快會有更多的天文學家跟進這項研究工作。”

在我們的宇宙中,暗能量佔據了74%,而另一種不反射也不輻射可探測電磁波的神秘物質:暗物質,則佔據了22%的份額。我們可以觀察到的一切物質:一切氣體、固體、液體、恆星、星系、行星,我們所熟悉的一切加在一起隻構成宇宙的4%。

然而,盡管科學家們已經確認暗能量和暗物質確實存在,但是至今我們仍然無法對這兩種神秘現象進行解釋。

揭示暗能量奧秘

神秘的暗能量(dark energy)真的在加速宇宙的膨脹嗎?一支由50餘位天文學家組成的國際研究小組通過計算一萬多個星系的合並速率,進一步加深了人們對宇宙暗能量奧秘的認識。新的研究技術也將成為日後測量暗能量如何發揮作用的強大工具。相關研究論文發表在1月31日的《自然》雜志上。

暗能量的觀點提出于10年前,當時由美國空間望遠鏡科學研究所Adam Riess領導的研究小組在《天體物理學雜志》上發表論文稱,宇宙的膨脹在加速進行,而非許多科學家認為的那樣變慢或開始收縮。這一發現的影響是巨大的:宇宙的大尺度上不僅存在著一種比引力更強大的反作用力,而且這種“力”(後來即被稱為暗能量)似乎組成了宇宙物質的四分之三還多。

不過,關于暗能量一些基本問題的爭論依然存在,甚至就暗能量到底存在與否也是眾說紛紜。造成這一狀況的關鍵在于關于宇宙膨脹還存在其它可能的解釋。比如,在宇宙的最大尺度上,引力的作用方式和表現可能與一般情況下截然不同。科學家們目前仍在不斷開發和利用更加強大和敏感的工具,投身于揭開這一謎團的努力中來。

作為歐空局VIMOS-VLT深度巡天計畫(VVDS)的一部分,在新的嘗試中,51位研究者利用歐空局甚大望遠鏡(VLT)的可見光多目標光譜儀(VIMOS),確定了在相同宇宙鄰域中大約13000個松散關聯星系的運動速度,這些星系與地球的距離大致相同,為70億光年。研究人員明白,隨著時間過去,許多星系會趨于合並,最終成為超星系團。因此,在大量星系剛剛開始發生聯系時就檢測它們的運動狀態,有助于揭示暗能量是否阻礙了令星系結合的引力作用。這些70億光年外的星系所反映的宇宙壽命隻有現在的一半。

研究結果到目前為止是不錯的。將最新研究與此前在現今宇宙中進行的2度視場星系紅移巡天(Two-degree-Field Galaxy Redshift Survey,簡稱2dFGRS)研究資料進行對比後,研究人員發現,在單純的引力之外,確實有一些東西“扭曲”著星系的速度。因此,隨著時間的推移,星系的合並速度越來越慢,所要克服的障礙也越來越大。而唯一的問題是科學家認為此次的研究還是太有限,不能得到無可辯駁的結論。

論文第一作者、義大利布雷西亞天文台(Osservatorio Astronomico di Brera)的Luigi Guzzo說,“我們在星系形成星團之前抓住了它們。”論文合著者、義大利羅馬大學的Enzo Branchini表示,這是該技術首次用于暗能量的探測,而他們下一步將通過研究更多不同距離、不同年齡時期的星系(有可能達到1億顆),努力證實第一輪研究得出的答案。Branchini說,最終足夠的樣本數量將能夠讓暗能量的某一種解釋凌駕于其它之上。

對于最新研究結果,前輩Riess評價說,“這是一個令人振奮的訊息,暗能量仍然是宇宙學和物理學中最緊迫的問題之一。”美國達特茅斯學院(Dartmouth College)的宇宙學家Robert Caldwell也表示,盡管這隻是初步結果,但星系合並速率的測定將對科學家計算宇宙為何加速膨脹十分有用

宇宙大撕裂

暗能量

科學家稱167億年後地球將被“暗能量”撕裂。

據英國每日郵報報道,如果神秘暗能量撕碎宇宙,科學家最新提供的一份世界末日時間表能預測顯示宇宙將發生怎樣的變化:地球將從太陽系剝離,最終發生宇宙爆炸。

暗能量被認為佔據宇宙70%成份,物理學家探索一種叫做“宇宙大撕裂”的理論,該理論認為暗能量最終將摧毀宇宙。

科學家聲稱,在世界末日來臨的前兩個月,地球將從太陽系剝離,在此5天之前月球脫離地球引力束縛。在時間終止前28分鍾,太陽將被摧毀,在時間終止前16分鍾,地球將爆炸。

這個黑暗世界末日預測是依據中國理論物理學家探索的一種潛在“暗能量”理論提出的,該理論指出神秘的暗能量遍及宇宙各個區域。學術研究將計算推測“未來”的一種可能性,由暗能量引發的世界末日。

“宇宙大撕裂”理論認為,暗能量將摧毀宇宙每個區域,在宇宙終結之前的3290萬年前銀河系將產生引力崩潰。令人感到欣慰的訊息是,世界末日在遙遠的167億年之後才會出現,人們不必為此擔憂。

暗能量被認為佔據當前宇宙70%成份,這項最新研究預測了未來銀河系將遭遇的終結命運。在“宇宙大撕裂”理論中,如果暗能量的壓力和密度比值低于-1,它們將在有限時間內無限地擴張成長,同時暗能量可以排斥引力作用,這將對宇宙形成負面影響。

來自中國科技大學、中科院理論物理研究所、西北大學和北京大學的科學家共同探討了“宇宙大撕裂”理論將出現的最壞結果,他們指出,我們希望從當前資料中推斷出未來宇宙所遭遇的最壞結果,在最糟糕的情況下,在167億年之後宇宙時間將終結于一次暗能量的“宇宙大撕裂”。因為暗能量遲早會消失,消失後隻有在又一次宇宙大霹靂時才能再一次產生。

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