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暗能量 |
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暗能量它是一種不可見的、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”探測器收集的數據，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於此前假設(73%)，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像中少，佔不到70%。 [1]暗能量是宇宙學研究的一個里程碑性的重大成果。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”。簡介 宇宙學中，暗能量[2]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於一種反引力。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——類似於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。 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，暗能量佔據宇宙不到70%的質能。 模型 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於真空能量。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。 特點 [3]暗能量與光會發生中和作用，作用域為同級暗能量的分佈範圍。當暗能量與光反應時，會對作用域的時間產生影響，絕對速度v0>c，此時作用域的能量E產生躍遷，根據E=mc²，作用域內的物質質量會有減少。由於宇宙空間不斷發生的中和反應，作用域內的物質質量不斷減小致使物質的引力減小，出現宇宙膨脹。 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。 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循環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。 起源 關於暗能量概念的起源，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”。 1997年12月，作為“大紅移超新星搜索小組”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、神秘力量的控制、推動下變快，人們只是猜測：所處的這個宇宙可能處於一種人類還不了解、還未認識到物質的固態、液態、氣態、“場態”之後另一種物質狀態的物質控制、作用之下，這種物質不同於普通物質的一切屬性及其存在和作用機制，這種“物質”因其絕對不同於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”這個消息後非常後悔，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。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於此前假設，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像中少，佔不到70 %。但這依舊表明人們看到的宇宙、認識到的宇宙只佔整個宇宙的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。關於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。 在新世紀之初美國國家研究委員會發布一份題為《建立夸克與宇宙的聯繫：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”，它就像是空氣相對於人類或者是大海相對於魚兒一樣，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”那麼就應該具備一切能量的基本屬性和基本特徵—力量。可見真空是否具備力的特徵和力的屬性也就成為“暗能量”成為真空的前提條件。 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，那麼“真空力”就成為獨立於萬有引力、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”；那麼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；那麼真空也就是那個佔整個宇宙96%以上的份額並控制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。故而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。 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。這裡需要的物質就是冷暗物質，由於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。對於先前提到的小擾動（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，如果把能量分佈分解成一系列不同波長的正弦波之和，那麼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於它提供了很好的動力學出發機制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。現已經知道了兩種暗物質—中微子和黑洞（不過其未被證實）。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 宇宙暗能量其基本特徵是具有負壓，在宇宙空間中幾乎均勻分佈或完全不結團。在WMAP數據顯示，暗能量在宇宙中佔總物質的不到70%。值得注意的是，對於通常的能量（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，太陽系旋渦場處於平衡狀態，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、摸到或者藉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”。 “暗能量”相比較暗物質更是奇特的有過之而無不及，因為它只有物質的作用效應而不具備物質的基本特徵，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，但是人們憑藉理性思維可以預測並感知到它的確存在。由於微波背景輻射的細緻觀測(WMAP的精密數據，SupernovaeIa的數據)，呈現以下一些驚人的觀測結果和數據： a)宇宙年齡是137±2億年 b)哈勃常數是71±4公里/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(不到70%%)，而總密度Ω0=1.02±0.02，亦即恰好差不多等同於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只佔整個宇宙的約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 |
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