暗能量是什么 什么是暗能量?它为什么会导致宇宙的加速膨胀?

2019-08-02 - 暗能量

物理学家表示:宇宙正在迅速膨胀且膨胀的速度不断加快。假如宇宙中只含有普通物质、暗物质和能量的话,那么宇宙的膨胀速度本应减缓才对,所以宇宙的加速膨胀应该是由一种暗能量所导致的,但对于它究竟是什么,我们现在有一些有意思但不确定的猜测。

暗能量是什么

爱因斯坦通过对下降的电梯和火箭长时间的研究后,有了一些想法,由此引出了一种利用时空几何学与周围物质和能量的数量关系来描述重力本质(下落之类的)的方法。爱因斯坦的场方程(EFE)能够描述时间和空间是如何受到行星和恒星这样的大块物质影响的,并且能够解释或预测水星奇怪的轨道以及其它的一些东西,并且非常出色的通过了每一个试验检测。

暗能量是什么

这最后一点很重要:产生一个新的理论是容易的,但是产生一个能精准预测我们之前不明白事物的理论是困难的。

接下来让我们谈谈弗里德曼(Friedmann),有天他开始思考整个宇宙的关系, 弗里德曼(Friedmann)想到,既然爱因斯坦场方程将物质和能量与时空的形状联系在一起,那么如果把场方程应用于整个宇宙又会发生什么呢?首先,他认为空间是可以随时间而膨胀或收缩(为什么不能呢),然后他将这个假设带入到爱因斯坦场方程中,观察是否产生作用,令人惊讶的是,这比听上去更加容易。

暗能量是什么

亚历山大弗里德曼先生

在巨大的规模之上(数十亿光年)宇宙中物质和能量几乎是呈均匀分布,因为在最大的规模下即使是最大一团的物质也如同水中的原子一样无法区分出来,所以在这种规模上,我们将宇宙中的物质和能量称作“宇宙流体”。这些我们目前已知范围内的“最大的物质”是银河系的超级星团,我们银河系的直径约为15万光年,在可观测的宇宙范围内,那里可能有数百万个超级星团,而这仅仅是在可观测的宇宙部分。

暗能量是什么

仅基于我们能看见的一部分来猜测整个宇宙的大小无异于我们站在毫无参照的旷野上来推断整个地球的大小。

OK,你现在在某个地方,这地方有多大?

当我们试图描述多远之外才是之外的时候语言将彻底的失效,关键在于:确定整个宇宙的行为的重点在于物质和能量的平均密度,而这在宇宙各处都几乎相同,你不需要去强调宇宙中的每颗恒星和星系,或者是整个宇宙的大小,这就如同你强调一堆沙子中每一粒沙一般。

依据方程

,弗里德曼(Friedmann)表示空间是可以随着时间而膨胀或收缩。时空间隔(时空中衡量距离的方式)加上另一个衡量参数a(t),如果a(t)项翻倍意味着空间中任意两个点之间的距离也将翻倍。因此,如果你测算出a(t)随时间如何变化,那么你也可以测算出宇宙是如何随着时间而膨胀或者收缩的。

另外,a(t)这一参数同样也描述了光的宇宙红移;如果a(t)在光的发射到吸收这段时间翻倍,那么光的波长(例如它经过的空间一样)也将翻倍,并且较长的波长便意味着发生了“红移”。当a(t)比现在还要小1100倍的时候,宇宙中存在时间最长的光已经发射了。

事实证明(这并不明显)爱因斯坦方程式证实了

,其中w被命名为“状态方程式”,k则为常数项。当

同时

时表明宇宙中充满了辐射(例如光,中微子和以接近光速运动的物质)。当

同时

时整个宇宙中将充满了常规物质(包括你,你的东西,基本上所有的东西以及暗物质)。在这些案例中,宇宙都在扩张并且扩张的速度将永远的减慢。

随着空间的膨胀,更大的空间使物质和辐射分散开来,所以物质的密度和辐射会下降,但辐射不仅仅只是扩散开来,同样也发生了红移现象,这表明能量的辐射密度会比普通物质的能量密度下降的更快。所以,我们可以认为公式里的“w”,这一用来描述物质和辐射结合的参数应该处于

的范围之内。当膨胀的空间使得能量的辐射密度比普通物质的能量密度下降的更快时,随着时间推移,物质将占据主导地位,所以“w”应当逐渐趋近于0。

空间的膨胀使得物质在空间中扩散开来,进而降低其能量密度,同时这般扩散和红移也将辐射的能量密度给降低了,但是空间的扩张并没有降低暗能量的能量密度,正相反,空间膨胀似乎创造了更多的暗物质。

但值得注意的是。自上个世纪90年代末以来,我们观察到宇宙正在加速膨胀而不是减慢了其膨胀速度。如果这种情况要发生的话,宇宙的状态方程式必须为

. 这一现象对宇宙学家来说有些震惊,但是实验和观察现象的冲击才是科学的美妙所在。

通过对不断膨胀的宇宙的深入研究,我们发现包含物质w=-1的状态方程式正好合适,这种情况与具有恒定密度的均匀负能量相一致,这其中有些。。有点奇怪的地方——宇宙的膨胀正使得物质和辐射变得越来越稀薄,可实际上这种奇怪的新“东西”并没有随之变稀薄,因为上述公式中恒定的密度便意味着宇宙空间不断膨胀,而存在其中的“东西”反倒会不断变多,事实就是暗物质这种东西,冻结在了宇宙的变化中。

不清楚他人如何命名这种东西,物理学家将这种一致的,不可稀释的负能量称作“暗能量”,这并不代表科学家知道这个暗能量是什么,但总不能不给一个事物起个名字吧。很不幸,暗能量与暗物质的研究是很难的(因此这样命名)所以说精确地指出它们在哪儿,数量有多少非常棘手,但是当下我们周围的物质和能量中大概有75%为暗能量,20%为暗物质,常规物质仅占5%或者更少。

随着时间的推移,因为空间的膨胀会逐渐稀释物质和辐射,暗能量最终在物质世界的占比会接近100%。

将暗物质纳入的宇宙模型可以很好的描述已观测到的宇宙演化进程,而没有将暗能量纳入的模型则表现得糟糕,所以很大程度上我们推测暗物质是存在的。另外因为暗能量的数值似乎与周围的空间数值成比例,所以可以合理的推测暗能量是“空的空间能量”,而这到底是什么现在是一个极具热度的研究课题,有大量的理论物理学家及实验物理学家试图直接探测或者描述暗物质是什么,运气好的话,他们可能会成功。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

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