动态暗能量 我们为什么这么在乎暗能量?关于暗能量的13问

2019-08-02 - 暗能量

仰望星空,穿过层层蔽障来透视宇宙,当我们把所有的星系、恒星、气体、尘埃、暗物质以及所有其他形式的物质和辐射加在一起,其总能量与暗能量相比仍然相形见绌。言下之意:真空中拥有的能量比宇宙中其他形式的能量总和要多的多的多!那么我们想问:宇宙你到底怎么了?今天我们就聊一下关于暗能量的13个大问题。

动态暗能量 我们为什么这么在乎暗能量?关于暗能量的13问
动态暗能量 我们为什么这么在乎暗能量?关于暗能量的13问

当我们的视线越过太阳系,穿过银河系中的恒星、尘埃和星云,进入广阔的星际空间,我们看到了什么?

没错!我们看到了一个直径约920亿光年的球状区域(可观测宇宙),其中至少存在2000亿个星系,而我们直径约10万光年的银河系只是其中的一叶孤舟。

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在上图所示的一小块哈勃深空场中就有大约8700个星系。这些星系中的每一个都包含着数千亿颗恒星。这些星系每一个都像我们的银河系一样,而这仅仅是我们目前所能看到的,920亿光年外的宇宙我们一无所知,并且在以后我们也不可能比现在看得更远!(为什么会这样呢?这个不是今天的主题。有兴趣的伙伴戳下方链接:宇宙年龄138亿年,为什么我们能看到460亿光年物体发出的光

动态暗能量 我们为什么这么在乎暗能量?关于暗能量的13问
动态暗能量 我们为什么这么在乎暗能量?关于暗能量的13问

然而,如果绘制出宇宙中我们目前已知的一切,并追踪宇宙结构,我们会发现由所有已知的基本粒子组成的普通物质,还不到宇宙总能量密度的5%。其中大概有20-25%的能量是以暗物质的形式存在的,暗物质是一种由尚未发现的粒子组成的不可见物质,用以解释星系,星系团和宇宙中疑似违反牛顿万有引力定律的现象。

动态暗能量 我们为什么这么在乎暗能量?关于暗能量的13问

但最奇怪的是,宇宙剩余的能量,是真空本身固有的能量:暗能量。

目前关于宇宙学存在的问题很多,关于占宇宙三分之二的暗能量到底是什么?它对我们的宇宙有何影响?

如果真空有一种固有的能量,它导致了空间发生膨胀,从而创造了更多的空间,能量密度又不会改变。那么这是不是违反了能量守恒定律?似乎暗能量在宇宙中可以无中生有。

宇宙膨胀是否也意味着,辐射能量在不断膨胀的宇宙中,也不守恒呢?因为辐射的密度随着宇宙体积的增大而减小;随着宇宙的膨胀辐射的波长被拉长,能量会降低。

如果只是这样思考,那么猛一看能量确实不守恒。但是广义相对论下,这两种情况的答案都是否定的。

暗能量不仅有能量密度,它还具有非常特殊的负压性质,辐射不仅有能量密度,也具有自身特殊的正压性质。当暗能量的负压向外推动宇宙时,暗能量对宇宙做负功,辐射做正功。它们所做的功完全等于任何一块空间中质量/能量的变化。所以只要在宇宙中考虑到做功的这个定义,我们就可以用能量守恒的方式定义暗能量和辐射能量。

让我们先回顾一下“暗能量”的由来。当物理学家观察到宇宙在均匀加速膨胀时,推测导致这种现象的原因是空间中存在着一种能量,它能提供足够的负压或反引力来推动宇宙膨胀,并且具有均匀的能量密度。

暗能量最简单模型是爱因斯坦所说的宇宙常数,其中负压强正好等于能量密度的负值乘以光速平方[ P = - ρ c^2 ]。这与我们今天所有的最佳观测数据完全一致。但暗能量的表现形式或模型可能更加复杂:暗能量可能不完全满足上述方程的负压,它也可能只是一个常数(目前限制在大约0.88和1.12之间)

以上的这些假设模型,着实太复杂,根本搞不懂啊!大概了解下知道名称就行。但是记住一点,迄今没有证据表明暗能量需要比宇宙常数更复杂的模型来解释。

以上问题的答案完全取决于暗能量是否与基本粒子有着本质的联系。如果有的话,我们只需要一个足够强大的对撞机就可以创造出这种粒子,并找到一种方法来区分中微子等物质的“缺失能量”。

但大多数暗能量模型,包括宇宙常数模型,都没有与之相关的粒子。如果暗能量没有一个与粒子相关的场来驱动它,那么我们研究暗能量的希望将变的遥不可及,因为我们根本就无从着手。大多数暗能量模型除了与空间膨胀有关外,目前没有发现暗能量与其他已知的粒子发生相互作用。也就是说,我们所熟知的物理学原理,对暗能量的检测根本不起作用也不适用。

在宇宙学中空间曲率和能量密度是紧密相关的:我们通过测量宇宙的膨胀率就可以知道空间正弯曲和负弯曲之间平坦宇宙的临界能量密度(上图中间部分);测量不同形式能量的能量密度,然后和临界能量密度来比较,以确定空间曲率。据我们的测量所知,宇宙的实际平均能量密度(包括暗能量在内)与临界密度难以区分,这就是为什么我们的宇宙曲率与平面难以区分的原因。

所以我们宇宙的空间曲率就是上图中间部分,如果更准确的说,那就是可观测宇宙的曲率是平坦的,至于整体宇宙可能存在更大的曲率我们无法观测到而已,就像我们站在地球上想看地球是不是圆的一样,我们怎么看都是平的。关于空间曲率问题,也就是宇宙的形状问题,想了解的小伙伴戳连接哈:我们如何知道宇宙的形状和大小?

辐射以光子的形式存在,通常是一种以光速运动的无质量粒子。我们目前对光的性质可以说是了如指掌,因为我们人类的科学发展就是从了解光的本质开始的。它确实对宇宙的膨胀速度做了一定的贡献,但辐射具有正压性质,它会导致宇宙膨胀减缓而不是加速。

这也适用于所有形式的辐射,包括任何以光速运动的无质量粒子以及非常接近光速的大质量粒子。所以任何已知的粒子和辐射能量都不是暗能量,辐射的正压强表示为:P = 1/3 ρ c^2。

另一方面,暗能量的存在导致了辐射红移的速度加快。所以在我们的宇宙中,暗能量的存在实际上也使得宇宙微波背景辐射对宇宙命运的重要性大大降低!

曾经有一位(非常暴躁的)物理学家这样形容暗能量

也许想象暗能量最好方法是把它想成一种流体,在任何时候都能渗透到所有的空间。随着宇宙的膨胀,创造了更大的空间,新空间具有与旧空间相同的属性。在“宇宙常数”一词中,常数部分指的是能量密度,与物质和辐射粒子不同的是,暗能量密度不会随着宇宙的演化而稀释。这是空间本身固有的属性,那么为什么会这样呢?我们目前还不清楚。这个说法可能让人很不满意,但没办法这是数学家和物理学家告诉我们的关于暗能量最好的结果。

能量部分不像“黑暗”部分那么困扰我们。能量部分是空间固有的零点能量,实际上它是一个正的非零值。我们称之为“真空能量”或者称为“量子真空”。

关于“黑暗”呢,我们应该也知道暗能量和暗物质一样,作为两暗兄弟,确实是宇宙中的伪装大师。我们无法检测到它们,所以称为“暗”最合适不过了,你说呢?

答案其实就是“暗能量”本身!加速膨胀与暗能量不同。一种是现象,另一种是能量的形式。宇宙的加速膨胀是一个反应,而暗能量是这个反应的原因,它对我们的空间做负功,它本身只是一个作用。

像上面的气球一样,气球向上的运动是气体向下做功的原因。如果气球向上加速运动却没有气体向下快速喷出,有气体喷出气球却没有动,这是明显是违反常理的。如果我们看到气球向上加速运动,我们肯定就能知道有气流向下提供了反作用力,事实上这就是我们知道宇宙中存在暗能量的原因。

就我们目前所知,暗能量不像电磁力、弱力或强力那样是一个单独的力。它只是引力的一部分,最初由广义相对论所预测。宇宙常数作为引力的一部分,它可以是包括0在内的任何数值,但我们的宇宙目前似乎只有一个特定的值。至于为什么是这样,搞清楚这个问题,诺贝尔物理学奖就是你的了!

但无论如何,它不是一个额外的力,只是广义相对论引力的一个方面,恰好具有它所具有的特定性质。

暗能量和以太不同之处在于,很久以前假设的以太是一种光传播的物理介质,是一个通用的静止框架,可以被任意拖拽和修改。当光穿过它时,根据光的方向和位置,以太会以不同的方式影响光的传播。

除了空间的膨胀率,如果宇宙中没有暗能量,我们所能测量的任何物理数据都不会有任何的变化。虽然暗能量似乎与古老的以太有一个共同点,都是均匀地渗透到所有的空间,无处不在。但它既不是首选的参照系,也不是任何东西依赖的媒介。

我们目前生活在一个引力和暗能量相互作用的时期,一方面,宇宙中所有的物体都受到其他物体的引力吸引,另一方面,暗能量在“推动”着空间膨胀,使已经膨胀的物体加速远离对方。

在这个时间点上,所有已经被引力束缚在一起的东西,包括我们和我们所在的星系群,以及一个大星系团中的所有单个星系,都将保持目前这种状态;在这些尺度上,暗能量将被引力所取代。

但在更大的尺度上,那些尚未彼此结合的星系和星团将永远不会在引力的作用下相互靠拢,它们将随着宇宙继续膨胀而加速远离彼此。

想象一下我们夜空中的一切,恒星、星系和星云!几十亿年后,我们的银河系将于与仙女座星系合并,仙女座是我们所在星系群中唯一的一个大型星系,我们合并后的巨大椭圆星系最终将吞噬临近的三角座星系,然后是围绕我们运行的其余矮星系。届时我们的天空会剩下什么:一个空无一物的、黑暗的星际真空。

上面的图片中,如果用暗能量的方式移除所有的星系,只会留下我们自己星系的前景恒星,看下图。

由于暗能量作用,每一个星系、星系群、星系团和超星系团都将从我们可观测的宇宙中消失。这是我们整个宇宙不可避免的命运。

那么了解暗能量对我们人类有什么好处?我们知道了当下正是人类探索宇宙的最佳时机,因为我们的子孙后代不会比我们现在看到更远星系,也不会比我们看到更多的星系。

假如,人类是在一万亿年后第一次出现,他们永远不会知道宇宙微波背景、遥远的星系、星团,也不会在夜空中看到一个任何一个“螺旋星云”。那时的人类一定一脸懵,黑暗的夜空什么也没有,我们在哪?我们在干什么?他们永远不会知道。因为暗能量会加速推离一切。即使离我们最近的大型室女座星系群也将从我们视野中消失。

这就是我们人类这么在乎暗能量的原因。趁所有的东西都还在的时候就好好享受我们的星空吧,因为每时每刻,我们只会变得更加孤独!

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