暗能量
驅動宇宙運動的一種能量
暗能量是驅動宇宙運動的一種能量。它和暗物質都不會吸收、反射或者輻射光,所以人類無法直接使用現有的技術進行觀測。
人類到目前為止對宇宙的研究表明:27%的宇宙是由暗物質組成的,暗物質就像膠水一樣把所有物質連接在一起。新的一項研究發現,一部分暗物質正在消失,而導致他們消失的原因則是暗能量。暗能量很有可能在消耗著暗物質,如果這一推論正確那這種現象將對宇宙的未來產生重大的影響。相關結果已經發表在了物理學評論快報上。
暗能量和暗物質並不會吸收、反射或者輻射光,所以人類無法直接使用現有的技術進行觀測。於是研究測試它們的性質變得十分困難。天文學家們一直以來通過觀測一些宇宙結構和物質受引力的影響以及能夠探測到的輻射來研究這一概念。
這項研究是基於宇宙時空的基本性質。在宇宙層面上來看還能揭示它的命運。如果暗能量真的持續吞噬暗物質的話,那我們的宇宙最後就會成為一個近乎絕對的虛無。暗物質在宇宙中的作用就相當於一個框架,如果不是因為暗物質我們所見到的星系們就不會在今天的位置。目前的研究表明暗物質很可能在被消耗,我們宇宙框架的成長隨之變慢。
約二十年前,一項研究表明我們的宇宙正在膨脹,而膨脹的速率不是恆定或減慢,而是在加速。這項研究在2011年被授予了諾貝爾物理學獎。學者們認為暗能量的密度可能是一種宇宙常量,而真空則提供了宇宙膨脹的動力。
通過研究許多不同的資料,研究小組比較了宇宙的膨脹規律。他們認為暗能量吞噬暗物質可以作為宇宙加速膨脹的解釋。而傳統的標準模型對這一現象並不能給出合理完整的解析。
當然並不是所有學者都對這一猜想買賬。自從二十世紀九十年代天文學家們達成了某種現象或者物質正在導致宇宙加速膨脹以來學術界對這個問題就一直爭論不休。而人類的資料庫並不足以讓任何假設得到充分的證實。雖然這次學術界提出的猜想很可能正確並正在成為天文學界進一步研究的方向,但是顯然對於宇宙真相的認知我們人類還差之甚遠。
宇宙學中,暗能量 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發現,Ia型超新星—種罕見的恆星爆炸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的紅移現象(光波向著可見光譜中紅色的一端變化)——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。在宇宙標準模型中,暗能量佔據宇宙約68.3%的質能。
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。
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。
加入宇宙學常數后,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。
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”。
暗能量
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。
暗能量
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。
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。
暗能量
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藉助工具看的見、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現時各種儀器所觀測,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。
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,那些遙遠的星系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,僅占整個宇宙的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。
藉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:
在大爆炸后的初期,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。
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。
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。
暗能量
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。
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。
日本理化研究所發布新聞公報說,日本理化研究所的稻田直久和美國斯坦福大學的大栗真宗共同領導的研究小組,觀測了宇宙空間中約2.3萬個類星體,以求找到受“引力透鏡效應”影響的類星體。
埃布爾星系團
美國太空網研究表明,神秘的暗能量幾乎確定的存在,儘管有些天文學家仍可能存在質疑。暗能量被認為是加速宇宙膨脹的物質。再經過兩年的研究后,一支國際科研小組總結稱,暗能量存在的可能性達到99.996%。但科學家對暗能量究竟是什麼,仍知之甚少。
“暗能量是當代最大的科研謎題之一,所以很多科研學者質疑它的存在,這不足為奇。”英國朴茨茅斯大學的鮑勃·尼科爾這樣說道。“但我們最新的研究讓我們更加確信這種外來的宇宙重要組成部分真實存在——即使目前我們還不知道它是由什麼組成的。”
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,宇宙的未來將複雜得多;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。
暗能量
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覆演繹,“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。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,鑒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。
一個空間探測計劃斯隆數字巡天(SDSS)已經完成了第一階段為期五年的運行,一旦全部完成之後,這一足以覆蓋四分之一的天空的精細光學成像設備,無疑將披露更多的細節。
中國科學家也正在試圖利用北京附近新上馬的LAMOST(大天區面積多目標光纖光譜望遠鏡)來觀測超新星,從而探索在中國首次進行暗能量實驗研究的可能性。而利用伽馬暴(超大質量星體爆發而形成的宇宙高能輻射),也許將為進一步研究更早期的暗能量提供間接手段。
北京師範大學天文系教授朱宗宏在接受《財經》記者採訪時指出,對於伽馬暴天文學的探索還處在初級階段,有點類似於1998年暗能量剛被發現時的超新星天文學,但其某些性質,從長期來看仍然有可能用來研究暗能量。
那麼,是否有可能利用實驗室來直接研究暗能量呢?一些人已經宣稱,可以利用納米技術來實現這一目標。瑞斯在接受《財經》採訪時表示,一些科學家也希望利用短距離(short-range)的引力實驗,發現暗能量的線索。
美國加州理工學院(CIT)的物理學家西恩卡羅爾(SeanCarroll)也對《財經》記者強調,要找到一個更具確定性的模型,不僅需要天文學上的數據,可能更需要來自粒子物理學的證據。尤其是2007年即將在歐洲投入運行的大型強子對撞機(LHC),或許“我們可以期待”。
由於對暗能量的性質、包括與其他物質的反應機理還不清楚,很多科學家認為,短期之內還無法對實驗室內的工作寄予太大希望;更為現實的渠道,或許仍來自天文觀測。
如果不出意外,普朗克(PLANCK)探測器將於2007年一季度正式升空,它將對天空進行更加精密的探測。在接受《財經》記者採訪時,皮爾姆特也表示,由它所在的實驗室負責設計的超新星加速探測器(SNAP),按照計劃將於2013年或者2014年升空。
“在未來五到十年中,我們對於暗能量的性質或許將有更加清晰的了解。”英國諾丁漢大學物理與天文學院教授克里斯托弗康瑟利斯(ChristopherConselice)對《財經》記者說。
幾乎沒有人否認,暗能量對於整個宇宙學乃至物理學而言,都是一場革命。1979年諾貝爾物理學獎得主斯蒂芬溫伯格(StevenWeinberg)曾明確表示,“如果不解決暗能量這個‘路障’,我們就無法全面理解基礎物理學。”著名華裔物理學家、1957年諾貝爾物理學獎得主李政道也斷言,暗能量將是21世紀物理學面臨的最大挑戰。
但是,何時是這個“絕對配得上諾貝爾獎”的問題的終點,這還是一個巨大的問號。正如卡羅爾在接受《財經》記者採訪時所言,“目前還沒有任何理論,配得上這一獎賞。”
瑞斯也對《財經》記者強調,理論工作非常困難。在這樣一個十分前沿的領域,何時能取得突破,的確難以預測。
在康瑟利斯看來,一旦暗能量得以真正證實,1998年兩個超新星觀測小組的負責人皮爾姆特、施密特,以及其他從事宇宙背景微波輻射研究工作的,都是比較有可能的候選人。也就在2006年6月,皮爾姆特、施密特和瑞斯三人,因在這個領域的傑出貢獻,共同分享了該年度的“邵逸夫天文學獎”。
科學家稱167億年後地球將被“暗能量”撕裂。
據英國每日郵報報道,如果神秘暗能量撕碎宇宙,科學家最新提供的一份世界末日時間表能預測顯示宇宙將發生怎樣的變化:地球將從太陽系剝離,最終發生宇宙爆炸。
暗能量被認為佔據宇宙70%成份,物理學家探索一種叫做“宇宙大撕裂”的理論,該理論認為暗能量最終將摧毀宇宙。
隨後5天地球將會被太陽撕裂
這個黑暗世界末日預測是依據中國理論物理學家探索的一種潛在“暗能量”理論提出的,該理論指出神秘的暗能量遍及宇宙各個區域。學術研究將計算推測“未來”的一種可能性,由暗能量引發的世界末日。
“宇宙大撕裂”理論認為,暗能量將摧毀宇宙每個區域,在宇宙終結之前的3290萬年前銀河系將產生引力崩潰。令人感到欣慰的消息是,世界末日在遙遠的167億年之後才會出現,人們不必為此擔憂。
暗能量被認為佔據當前宇宙70%成份,這項最新研究預測了未來銀河系將遭遇的終結命運。在“宇宙大撕裂”理論中,如果暗能量的壓力和密度比值低於-1,它們將在有限時間內無限地擴張增長,同時暗能量可以排斥
世界末日兩個月前地球將會將月球撕裂
來自中國科技大學、中科院理論物理研究所、西北大學和北京大學的科學家共同探討了“宇宙大撕裂”理論將出現的最壞結果,他們指出,我們希望從當前數據中推斷出未來宇宙所遭遇的最壞結果,在最糟糕的情況下,在167億年之後宇宙時間將終結於一次暗能量的“宇宙大撕裂”。
暗能量的可能候選
光壓極為可能就是暗能量。由馬克士威的光壓方程式p=KT^4/c以及盎魯效應(Unruh effect)T=ah'/2pi*k*c,我們可以得到光壓p與加速度a的四次方成正比,這意味著光壓會造成我們的四維宇宙時空加速度膨脹。光子由星系中心被發射出來可一直到達宇宙邊緣,透過光壓的作用使宇宙膨脹,因此有些科學家認為光壓為暗能量的可能候選者。
2003年2月9日據英國《每日電訊報》報道,美國航空航天局(NASA)本周將宣布一項新發現,證實宇宙中“暗能量”的確存在。這種暗能將會抵消宇宙星系重力的作用,使宇宙一直不斷膨脹下去,永遠也不會發生如劍橋大學物理學家斯蒂芬·霍金教授所預言的那種“宇宙大坍縮”現象。NASA的這項聲明將會徹底推翻在科學界爭論了幾十年的“宇宙大坍縮”理論,從而引發宇宙學上的革命。宇宙不會發生“大坍縮”。
據報道,在過去一百年裡,從阿爾伯特·愛因斯坦到斯蒂芬·霍金的大多數科學家們,一直都認為宇宙最後將停止膨脹,並由於星系重心吸引力作用向內部坍縮,使所有星系越聚越緊,最後形成一個緊密的物質團,從而摧毀宇宙中所有的生命。然而NASA最近的研究指出,科學家以前的這種理論是錯誤的。
由於離我們遠去的物體所發出的光波長會變長,而在光譜中,波長較長的光偏向紅色。通過太空望遠鏡探索太空,科學家可以測量出星系光譜的紅移量,NASA科學家們通過測算,發現宇宙中的星系正在以加速度遠離我們而去,也就是說宇宙的確在加速膨脹。NASA的科學家認為,只有一種現象才能解釋這種“加速”膨脹現象,那就是宇宙中確實存在著一種“暗能”,正是暗能引起了宇宙的這種加速膨脹現象。據此,NASA科學家認為宇宙膨脹的速度將越來越快,根本不可能發生如霍金等科學家所預言的宇宙膨脹到極限后發生的“大坍縮”現象。NASA新發現將改變人類宇宙觀劍橋大學天體物理學家安東尼·拉森比教授對《每日電訊報》記者稱,NASA的聲明將改變人類的宇宙觀。“這將是一個跨時代的發現。”而另一名科學家對記者解釋道∶“這就像向空中扔出一個球,如果地球引力是惟一的作用力,這隻球最後將減緩速度,並開始落向地面。可是現在我們從宇宙看到的卻是這隻球不但沒有減緩速度下落,反而以加速度逃離我們而去。”他認為NASA的這項發現或許將成為人類宇宙學史上最重大的發現之一。愛因斯坦“最大的錯誤”原來正確宇宙的命運曾經困擾過人類歷史上最偉大的科學頭腦。1917年,為了使自己的廣義相對論的等式成立,愛因斯坦曾設想宇宙中有一種未知的能量存在,他將其稱之為“宇宙常數”,愛因斯坦認為這種名叫“宇宙常數”的能量能抵消星系引力的作用,使宇宙保持一個不變的大小。然而,當後來天文學家通過哈勃望遠鏡發現宇宙正在不斷向外膨脹的天文學證據后,愛因斯坦不得不放棄了他的觀點,認為“宇宙常數”是他科學觀點中一個最大的錯誤。不過,NASA的新發現將顯示,愛因斯坦提出的“宇宙常數”觀點完全正確,儘管愛因斯坦認為“宇宙常數”存在的理由是錯誤的。
在1998年創下全球天文數字銷售量的科學書籍《時間簡史》中,劍橋大學物理學家斯蒂芬·霍金斷定宇宙最終將結束膨脹,並向內部坍塌毀滅。霍金教授的觀點早在1997年就遭到不少科學家的挑戰和質疑。NASA的研究數據將徹底結束人類宇宙史上這個最具懸疑的大爭論。
霍金教授在接受記者採訪時,對NASA的發現他並不感到氣餒,他稱自己仍將繼續堅持自己的理論,並認為他的理論和NASA的發現完全可以兼容。地球和人類照樣會毀滅,儘管NASA的發現意味著宇宙將永遠膨脹下去,不過對於人類的命運來說,宇宙永遠膨脹和膨脹之後“大坍縮”的結果都是一樣的。因為當宇宙膨脹到一定時間后,宇宙中所有普通物質如恆星和行星的能量,包括太陽都將被消耗殆盡。在數萬億年後,宇宙中將到處充滿巨大的黑洞,黑洞碰撞后將不斷引發宇宙間的大爆炸,到那時,宇宙中將空無一物,只有無所不在的“暗能量”。
暗能量
諷刺的是,暗能量的無處不在,反而讓人們很難意識到它的存在。暗能量與物質不同,它是均勻分佈的,不會在某個地方聚集成團。不論是在你家的廚房,還是在星際空間,暗能量的密度都完全一樣,約為10^-26千克/立方米,相當於幾個氫原子的質量。太陽系中所有的暗能量加起來,與一顆小行星的質量差不多,在行星的“舞蹈”中,幾乎起不了作用。只有在巨大的空間尺度上和時間跨度上,才能體現出暗能量的影響力。
通過對遙遠星系團發出的X射線進行觀測和分析,歐洲航天局科學家得出了與暗能量理論不符的結果。不過專家指出,新結果是否意味著人們一直探討的宇宙暗能量“或許並不存在”,仍需更多的觀測研究來證明。
愛因斯坦的廣義相對論做出過暗能量的假設。據推測,不可見的暗能量可能佔據了宇宙質量的大部分,能夠產生與引力相反的排斥力,這也許可以解釋為什麼宇宙會出現加速膨脹現象。
關於暗能量理論,一些科學家認為,要驗證暗能量是否存在,辦法之一是比較各星系團中熾熱氣體的比例。
星系團由成百上千個星系組合而成,其半徑達數百萬光年。星系團的特點之一是其中有大量熾熱氣體,溫度在1000萬到1億攝氏度之間。歐洲航天局的XMM牛頓天文望遠鏡捕捉到了古老的遙遠星系團發出的X射線。科學家對此進行分析后得出了這些古老星系團中熾熱氣體所佔的比例。他們將這些數據與距地球最近也就是最年輕的星系團中熾熱氣體所佔比例進行了比較,結果發現二者沒有差別。
科學家認為,只有假設宇宙中沒有暗能量才能解釋這一現象。
天文學家確認暗能量存在,證實宇宙加速膨脹
綠色網格線代表引力紫色網格代表暗能量
此次運用的兩種天文測量方法中,一種手段是對宇宙中星系的分佈狀況進行考察,找出其中的模式。這種模式被稱為“重子聲學振蕩”(baryon acoustic oscillations, BAO)。
第二種手段是測量宇宙中不同時期星系團的形成速度差異。這兩種方法的結果都證實了宇宙中暗能量的存在以及宇宙的加速膨脹事實。
暗能量的概念最早是上世紀90年代,天文學家們在對遙遠的超新星進行觀測時首次提出來的。
愛因斯坦是正確的
為了解釋宇宙為何會加速膨脹,天文學家和物理學家們面臨兩種選擇:或者重寫愛因斯坦的理論,或者去接受這樣一種觀點,那就是宇宙中充滿著一種全新的,我們完全不了解的神秘能量。
克里斯·布萊克(Chris Blake)博士來自澳大利亞墨爾本的斯威本科技大學,也是這一研究的合作者之一。他說:“暗能量起到的作用就像是你向上拋出一個球,然後你發現它加速向上飛去。並且越飛越快。這樣的結果告訴我們,暗能量是一個宇宙常數,正如愛因斯坦最初提出的那樣。如果只考慮引力,我們不可能觀察到這樣的現象。”
這些最新的發現結果來自一項名為“WiggleZ”的星系巡天項目,這一項目始於2006年,於2013年完成。這一項目使用了美國宇航局星系演化探測器(Galex)和澳大利亞賽丁泉天文台英-澳望遠鏡的數據。
這一巡天項目對前所未有的廣袤空間內的星系分佈進行了考察,相當於回溯80億年的時間,當時的宇宙僅有今天年齡的一半。
宇宙學家鮑勃·尼科(Bob Nicholl)表示:“這是一項重大的進展。這些參與者都是這方面的大家,我們等待他們的結果已經有一段時間了。”
尼科博士本身是英國朴茨茅斯大學的天體物理學教授,他說:“這是對暗能量存在的再次確證,讓我們能更好的修正我們的理論並為我們指明未來的道路。接下來很快會有更多的天文學家跟進這項研究工作。”
然而,儘管科學家們已經確認暗能量和暗物質確實存在,但是至今我們仍然無法對這兩種神秘現象進行解釋。
神秘的暗能量(dark energy)真的在加速宇宙的膨脹嗎?一支由50餘位天文學家組成的國際研究小組通過計算一萬多個星系的合併速率,進一步加深了人們對宇宙暗能量奧秘的認識。新的研究技術也將成為日後測量暗能量如何發揮作用的強大工具。相關研究論文發表在2008年1月31日的《自然》雜誌上。
美國空間望遠鏡科學研究所Adam Riess領導的研究小組在《天體物理學雜誌》上發表論文稱,宇宙的膨脹在加速進行,而非許多科學家認為的那樣變慢或開始收縮。這一發現的影響是巨大的:宇宙的大尺度上不僅存在著一種比引力更強大的反作用力,而且這種“力”(後來即被稱為暗能量)似乎組成了宇宙物質的四分之三還多。
不過,關於暗能量一些基本問題的爭論依然存在,甚至就暗能量到底存在與否也是眾說紛紜。造成這一狀況的關鍵在於關於宇宙膨脹還存在其它可能的解釋。比如,在宇宙的最大尺度上,引力的作用方式和表現可能與一般情況下截然不同。
作為歐空局VIMOS-VLT深度巡天計劃(VVDS)的一部分,在新的嘗試中,51位研究者利用歐空局甚大望遠鏡(VLT)的可見光多目標光譜儀(VIMOS),確定了在相同宇宙鄰域中大約13000個鬆散關聯星系的運動速度,這些星系與地球的距離大致相同,為70億光年。研究人員明白,隨著時間過去,許多星系會趨於合併,最終成為超星系團。因此,在大量星系剛剛開始發生聯繫時就檢測它們的運動狀態,有助於揭示暗能量是否阻礙了令星繫結合的引力作用。這些70億光年外的星系所反映的宇宙壽命只有宇宙壽命的一半。
研究結果到目前為止是不錯的。將最新研究與此前在現今宇宙中進行的2度視場星系紅移巡天(Two-degree-Field Galaxy Redshift Survey,簡稱2dFGRS)研究數據進行對比后,研究人員發現,在單純的引力之外,確實有一些東西“扭曲”著星系的速度。因此,隨著時間的推移,星系的合併速度越來越慢,所要克服的障礙也越來越大。而唯一的問題是科學家認為此次的研究還是太有限,不能得到無可辯駁的結論。
論文第一作者、義大利布雷西亞天文台(Osservatorio Astronomico di Brera)的Luigi Guzzo說,“我們在星系形成星團之前抓住了它們。”論文合著者、義大利羅馬大學的Enzo Branchini表示,這是該技術首次用於暗能量的探測,而他們下一步將通過研究更多不同距離、不同年齡時期的星系(有可能達到1億顆),努力證實第一輪研究得出的答案。Branchini說,最終足夠的樣本數量將能夠讓暗能量的某一種解釋凌駕於其它之上。
對於最新研究結果,前輩Riess評價說,“這是一個令人振奮的消息,暗能量仍然是宇宙學和物理學中最緊迫的問題之一。”美國達特茅斯學院(Dartmouth College)的宇宙學家Robert Caldwell也表示,儘管這只是初步結果,但星系合併速率的測定將對科學家計算宇宙為何加速膨脹十分有用。
據國外媒體報道,根據一項最新的研究,宇宙目前可能並沒有加速膨脹。這意味著神秘的“暗能量”實際上可能並不存在。這可是具有相當衝擊性的主張。要知道,在2011年,諾貝爾物理學獎頒給了來自兩個研究團隊的3名天文學家,因為他們各自獨立的證明了遙遠的Ia型超新星(一種爆炸的恆星)以比地球附近天體更快的速度遠離地球。換言之,我們的宇宙正在加速膨脹。這些令人驚訝的成果發表於上世紀90年代末,它們強烈地暗示存在一些奇怪的力將時空分離了。
暗能量
Nielsen的團隊同時指出,原先的工作只使用了大約70個Ia型超新星的數據,新的分析發現了否定有關暗能量這一概念和加速膨脹的“關鍵證據”。文章的第二作者,牛津大學的Subir Sarkar在聲明中表示,按照物理學家的說法,有關加速膨脹的證據可靠程度最多只有“3σ”,這遠遠小於聲稱具有根本性不同時所需的可靠度達“5σ”這一標準。這意味著我們很有可能被誤導了。有關暗能量的真相是,它是我們利用過於簡化的理論模型分析數據時產生的一個巧合。Sarkar還補充道,其中一個理論模型事實上是在上個世紀30年代時建立的,那時我們還沒有任何實際觀測數據。
我們現在的觀測使得宇宙天文學家推測,宇宙中最重要的成分是暗物質和暗能量,暗物質占宇宙25%,暗能量佔70%,通常所觀測到的普通物質只佔宇宙質量的5%。因此,探測和研究暗物質很可能導致物理學界新的革命。
暗物質,暗能量肯定都是有質量的。所以能夠產生引力,那麼現在我們周圍,銀河系,星系之間的引力狀況,就不會是現在觀測到的那樣。會更大。因為又增加了90%多的暗物質。
可是事實與觀測不符合,反而相反。從我們的周圍的局部宇宙觀測,局部宇宙是膨脹的。如此我們就大膽假設反引力子的存在。同樣反引力波也不與電磁波發生作用。但是他們對於物質是一種斥力,與引力正好相反。這樣就可以解釋目前所觀測到的宇宙為什麼是加速膨脹的。當然要記住,這是一種理論猜想。畢竟我們觀測到的不是宇宙整體的現象。導致“膨脹”的原因有很多。而且《變化》在第八章否認了引力子的存在,反引力波更是荒唐,可是為什麼還要這麼假設。原因是我不贊同暗物質存在!接著往下看吧。
而要追隨當下的觀測數據,主要原因是不想讓這些推理在當下失去存在的意義。也同時說明,她不是純粹的大腦遊戲。
我們現在所觀測到的物質與反物質是如此的不對稱。我們現在只是知道反粒子的存在。但是真正意義上的反物質還沒有被觀測到。
反物質和物質是相對立的,會如同粒子與反粒子結合一般,導致兩者湮滅並釋放出高能光子或伽瑪射線。1932年由美國物理學家卡爾·安德森在實驗中證實了正電子的存在。隨後又發現了負質子和自旋方向相反的反中子。到目前為止,已經發現了300多種基本粒子,這些基本粒子都是正反成對存在的,也就是說,任何粒子都可能存在著反粒子,2010年11月17日,歐洲研究人員在科學史上首次成功“抓住”微量反物質。
那麼為什麼不大膽假設,正物質和反物質碰撞湮滅會有一部分轉化成暗物質和暗能量。這樣正物質與反物質的不對稱問題,也似乎得到了一個可靠答案。而且我認為物質,暗物質,反物質三種物質間定然有轉換的機制。愛因斯坦的質能方程也是這麼告訴我們的。
各位,看似我回答了上面的第二個問題,為什麼引力子沒有被探測到。可是在回答中。漏洞百出,不能自洽,這還僅僅是文字上的。如果是數學上的呢?更是可想而知。我們的宇宙就是這麼矛盾。
漏洞在哪裡呢?在暗物質本身上。這樣的問題可以有兩種解決方案。1、如果暗物質與物質間有斥力,且斥力與引力在同等質量,等同距離下力的大小相同。那麼根據現在的觀測,暗物質和暗能量佔壓倒性優勢。那麼現在觀測到我們周圍的空間在加速膨脹,就是想當然的了。可是大家想過沒,在如果真的那樣,我們周圍星系所受到的斥力應該遠遠大於引力,使得很少有星系能夠維持在自己的軌道上,現在這樣的星系,星系團,是不可能形成的。所以反引力和引力是一種半開放或者封閉的力。
說是封閉的力,是因為這兩種力應該是獨立作用的。也就是說暗物質和暗能量作用與和她自身一樣的物質;而物質就作用與物質。如此物質和暗物質,暗能量就各司其職,引力吸引物質,構成和維持天體的運動。反引力作用與暗物質,暗能量,由於她們的比重大於物質,是構成宇宙的主要框架,所以在我們周圍的空間觀察到宇宙是膨脹的。
而說是半開放的。主要是考慮到暗能量的分佈。我們知道很多大的星體我們可以把看成是質點,來計算她們的引力的。可是如果暗能量的分佈很比較均勻的,那麼她的引力效應就會被削弱。我們可以把她稱為“弱引力”或者也可以直接認為反引力要比引力弱。這樣即使反引力可以作用與物質,那麼根據物質的分佈,根據反引力和引力的合力,引力大於反引力,所以現在的觀測情況是容許的。但是非常大的尺度中,暗物質,暗能量還是佔壓倒性優勢,或者說暗物質,暗能量造成我們周圍空間的“高壓”,使得四周空間膨脹。
這就是為什麼說可能是獨立或者半開放的作用。
這樣解釋,你覺的邏輯上對嗎??如果你也是物理天文愛好者的話。你一定會問這樣的一個問題。“上面的暗能量分布圖,顯示暗能量和物質總是如影隨行。暗能量就好像跟著物質似得。或者說物質跟著暗能量似得。這個怎麼說?”
暗能量
那就是除了上面分析的,還得加一條,關於物質與暗物質或暗能量的關係。顯然根據觀測他們是相互吸引的,彼此有引力。
那麼就是這樣的:暗能量對暗能量是斥力,暗能量對物質是引力,物質對物質是引力。這樣就可以解釋上面的問題。為什麼可以觀測到暗物質和物質總是如影隨行。為什麼我們的觀測發現周圍的空間是膨脹的。這樣就意味著,我們的身邊就存在著暗物質,很多很多的。每天都穿梭於我們的身體不知道多少次。而我們對此毫無所知。
現在該回到第一個問題了。引力與引力之間的傳播問題。從上面知道了,引力波具有很強的穿透性,且不與電磁發生作用。整個引力場就像海洋一樣。兩個相距一億光年的大質量星球A和B。一個星球A爆炸。A和B之間的引力中斷需要1億年。
引力波雖然不與電磁發生作用。但是不代表引力波不與引力波,引力子或者物質之間發生作用。所以說A最後發出的引力信息,可能會不能到達B,這是容許的。是一種不對稱。但是B的引力信息到達A的位置,沒有相應的對接,A和B的引力自然就結束了。
而且在浩瀚的引力場中,天文距離尺度下,A和B的引力的中斷,對於整個引力海洋幾乎沒有影響。就像海洋中的兩條鯉魚,一條突然被人類捕捉上岸,一條逃走。它們之間的引力突然中斷,對於海洋來說,甚至沒有察覺。所以只有大質量天體或者星系發生劇烈運動變化時,引力波作用會明顯。如果一方消失,會造成另一方不再維持原來的平衡,發生引力坍縮,發生引力奔潰導致滅亡是很合理的。
出現暗能量情況的假設可以有很多。比如宇宙是一個動態的宇宙。那麼暗能量效應極有可能是時空的性質,也就是不存在這樣的暗物質。只是時空的性質。畢竟相對論揭示了,一個運動的宇宙,其質量本身要比靜止的時候要大。這不是觀測效應,是實際效應。所以可以看做是時空性質。更多的詮釋選擇不止此一種。
真空不空本身就深意,不空的真空里有什麼?暗物質,能量,暗能量?我們拭目以待吧。
但對於一直探索的暗物質,暗能量,我們也要保持高度懷疑。因為沒有直接的觀測數據支撐,也沒有相應的作用。顯然暗物質這樣的概念,沒有反物質這樣的感念讓我們踏實。比較反粒子,微量反物質我們已經探測到了。摘自獨立學者靈遁者物理宇宙科普書籍《變化》
根據中科院院士李惕碚和博士生劉浩生成的WMAP的溫度譜,暗能量和暗物質占宇宙總能量的比例有所改變。暗能量從WMAP小組所公布的74%下降到了68%,而暗物質從22%上升到了28%。他們在論文中聲稱,這個結果與WMAP小組的結果相比,同其他觀測結果,如“飛鏢”球載望遠鏡,重子振蕩,Ia型超新星等符合的更好。