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为什么说是暗能量加速了宇宙膨胀?

一般的物体膨胀后,会有一种收缩的趋势。比如一个气球,把它吹胀后一旦放开,就会缩回去。这是由于气球的外皮在吹胀时储存了势能,在外力去除后就会释放出来,把气球拉回原样。宇宙也类似,只不过让宇宙收缩或者减速膨胀的力量是由引力提供的。当宇宙膨胀时,物体就相当于逆着引力方向被扔出去,这时引力会让宇宙的膨胀减速。但是现在观测到宇宙的膨胀非但不是减速,而是加速的。那么必定有一种力量,起到了和引力相反的作用。目前,科学家还不知道这种力量到底是什么,而且也测量不到,因此干脆称之为暗能量

虽然不知道暗能量到底是什么,科学家还是可以描述它的主要性质。它应该均匀地充满整个宇宙,与宇宙的体积成正比,并具有负压力的特性。通常物质系统具有的都是正压力,随着体积变大,往外膨胀的力逐渐变得小于收缩的力,于是膨胀停止并收缩。暗能量的负压力则不然,体积变大,膨胀的力反而会大于收缩的力。如果暗能量具有负压力的特性,宇宙膨胀加速就自然得到了解释:宇宙膨胀时,宇宙空间体积随之增大,暗能量压力变强;与之相反的是,宇宙空间尺度越大,阻止宇宙膨胀引力越小。一个变大一个变小,造成了宇宙膨胀加速。所以暗能量应该起着一种引力或者说斥力的作用。

那么暗能量应当有多强呢?根据2013年的最新测量结果,暗能量占宇宙物质-能量密度的68.3%,而暗物质和普通物质分别占26.8%和4.9%(普朗克卫星数据)。也就是说,95%的宇宙是由看不见的物质能量组成,难怪有人称它为暗宇宙。

那么,暗能量到底是什么呢?物理学家提出了一些模型,但是迄今没有一个能令人完全信服。其中最简单的一种解释就是真空能。简言之,就是真空具有的能量。按现代量子物理学的不确定关系,真空本身并不平静,充满着瞬时存在又瞬时湮灭的虚粒子,这些幽灵般的粒子随机地产生和消失,并对周围发生细微的影响。因此,在量子物理学看来,即使是真空系统,也具备最低的能量,这种能量称为零点能,也就是真空能。

真空具有的这种能量会产生引力,同时也会产生压力。在宇宙尺度上,真空压力引力产生的综合效应是一种斥力(或者说负引力),这正好符合暗能量的特性。真空产生的斥力大小和其能量密度有关。按量子场论推算,我们这个宇宙的真空能密度为10116电子伏/厘米3,但是我们实际测量出的只有10-4电子伏/厘米3。也就是说实际真空能密度比理论预言的小120个数量级!假如说真空能真的是暗能量的话,那么必然有一种真空能“等效”的什么机制,对真空能密度起了“抵消”的作用。这就好比在100层高的楼上踏入一个电梯,我们之所以感觉不到楼板的高度,而只感觉到电梯与楼板间的落差,是因为电梯升到了100层,“抵消”了楼的高度。

真空能等效的是什么呢?今天,大部分科学家认为引力场方程中的“宇宙学常数”是最好的候选者。宇宙学常数最初出现,是爱因斯坦为了使宇宙静止而“硬加”进来的,一开始它就没有任何物理意义,所以获得了这么古怪的名称。后来人们发现宇宙是膨胀的,加入宇宙学常数就被认为是错误的。爱因斯坦也曾一度后悔过。但今天看来,宇宙学常数和万有引力常数G、光速c类似,是我们这个宇宙的一种基本属性。它很可能不为零,而且是正的,好起到抵消真空能的作用。不过,为了解释宇宙的加速膨胀,宇宙学常数必须与真空能相互抵消掉前面120位数字而只留下极其微小的尾数。这实在是一件太巧太偶然的事,以致令人难以置信。不过,不管怎样,这还不失为一种简单而有魅力的解释。爱因斯坦要是知道他提出的宇宙学常数还有这样的物理意义,一定会欣喜若狂!

【发散思维】加速膨胀的宇宙还会慢下来吗?

【本文关键词】Ia型超新星 宇宙加速膨胀 暗能量