| 語言 : |
|
| 百科社區 |百科問答 |提交問題 |詞彙知識 |上傳知識 |
暗能量 |
    |
|
暗能量的發現過程極富戲劇性。按照宇宙大爆炸理論，在大爆炸發生之後，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。 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，那些遙遠的星係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，彷彿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於減速膨脹狀態。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。那麼到底是什麼樣的力量，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”到底意味著什麼？至今我們能夠給出的，只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%，相當於金字塔頂的那一塊。 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，由於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。 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： 在大爆炸後的初期，宇宙經歷了一個急速膨脹階段。此後，由於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，不斷增長的暗能量終於在大約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。 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，則是複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”只是一個錯誤的概念。 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，那麼它的力量強弱將只和宇宙的大小有關。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。彷彿冥冥之中有一個“上帝之手”，把一個適合智慧生命生存的宇宙呈現面前。 但對於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。 為避免這種衝突，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。 動態 [4]作為宇宙學中的“黑暗區域”，人們對神秘的暗物質和暗能量了解很少，來自巴斯克地區大學理論物理系研究人員森德拉認為根據過去的觀測，我們發現宇宙中大約有5%是由普通物質組成，即我們看到的星系、恆星等，還有22%為暗物質，我們知道暗物質的存在是因為它可以通過引力影響普通的物質，剩餘的不到70%則是暗能量，這就是說暗物質和暗能量佔據了宇宙中絕大部分的質能，而暗能量則影響著宇宙加速膨脹的機制。 如果不存在暗能量，宇宙膨脹速度就會被物質引力所減慢，而暗能量是通過何種方式導致宇宙加速膨脹還不得而知，對此，研究人員森德拉在她的博士論文中進行了研究，其標題為《加速膨脹中的宇宙學：觀察和現象學的研究》。本項研究始於暗能量可能是動態ΛCDM模型假說，這是目前最廣泛的大爆炸宇宙學模型，也被稱為Λ-冷暗物質模型，其通過宇宙學常數來解釋宇宙加速膨脹。但是，有些觀測現象無法用這個模型來解釋，我們所尋找的動態暗能量會隨著時間產生變化。 研究人員森德拉利用數學和統計學工具針對所提出的模型進行了比較，通過多種版本的比對，認為我們可以看到目前的暗能量狀態方程存在“-1”的分界線，如果對應的狀態方程小於或大於-1，那麼宇宙就不會是這個樣子，但是其中仍然存在較高比例的誤差。根據森德拉的計算，這些數據都符合動態的暗能量，而具體的結果尚未發布。本項研究中，森德拉和2011年諾貝爾物理學獎得主合作提出了一種新的研究暗能量狀態方程的模型，其目標是統一暗能量和暗物質。 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爆炸相反的“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）。 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复演繹，“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，在於迄今為止，能夠研究暗能量的手段仍然十分有限。目前，最主流的仍然是藉助超新星的觀測。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，鑑於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外觀測一個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。 |
| 用戶 評論 |
|
還沒有評論 |
