4亿亿亿亿立方光年的宇宙,这种东西无处不在,天文学家不得其解

4亿亿亿亿立方光年的宇宙,这种东西无处不在,天文学家不得其解

直到20世纪90年代末,我们才发现宇宙中还蕴含着巨大的能量,这就是暗能量。时至今日,天文学家仍然不知道暗能量是什么。就质能而言,宇宙中只有5%是由我们熟知的东西组成:质子、中子、电子、光子、中微子、黑洞,甚至引力波。其余27%是暗物质,宇宙中质能占比最多的是暗能量,达到了68%。

暗能量的发现

通过测量河外星系中的Ia型超新星的距离和红移,天文学家发现,宇宙不可能仅仅由物质和辐射组成,而是需要一种新的能量形式来改变我们宇宙的命运。20多年过去了,暗能量仍然是宇宙中最大的未解之谜。

为了知道宇宙是由什么组成的,天文学家测量了宇宙中各种不同星系的距离和红移。通过测量星系光线的红移值,可以知道它们的运动速度,以及光线离开星系到达地球这段时间内,宇宙空间膨胀了多少。另一方面,通过测量遥远星系的视亮度和视直径,结合已知星系的实际亮度、直径和距离,可以测出目标星系的距离。

当天文学家结合所有的观测结果,包括超新星、大尺度结构、宇宙微波背景的涨落等等,这些证据都指向一个相同的宇宙图景:5%的普通物质、27%的暗物质和68%的暗能量。

从理论角度来看,我们理解这些观测结果的方式是非常直接的。在最大的宇宙尺度上,宇宙在所有的方向和位置都是一样的。我们实际可以观测到的宇宙体积可达4亿亿亿亿立方光年。在超过几十亿立方光年的范围内,宇宙事物的一致性达到了99.99%。

宇宙学标准模型

当宇宙在所有方向和位置上表现得似乎都一样时,我们可以从广义相对论中推导出一个关于宇宙运转的精确解:

左边是膨胀/收缩因子,右边是所有物质和能量项。这些是控制膨胀宇宙的规则,通过测量速率随时间的变化,可以确定宇宙中有什么,有多少,以及它们如何运转。

结合观测数据,从宇宙学标准模型中可以推导出如下的参数:

宇宙目前的膨胀速率为67至74 km/s/Mpc;驱动宇宙膨胀的是占宇宙质能总量68%的暗能量;宇宙在空间上是平坦的;另外32%的宇宙质能主要以物质的形式存在,包括都能产生引力作用的普通物质和暗物质;自从宇宙大爆炸以来,宇宙诞生至今已经过去了138亿年。特殊的暗能量

宇宙中的大部分能量不仅是看不见的,而且它们的形态完全不同于物质。物质通常聚集在一起,因为物质之间存在引力作用。当足够多的物质聚集在一起时,它们可以克服空间膨胀,形成恒星、星系和星系群。在物质主导的宇宙中,随着时间的推移,结构变得越来越大,越来越复杂,越来越像网络。

然而,在一个存在大量暗能量的宇宙中,这个网络的规模和复杂性将是有限的。根据目前的观测结果,暗能量表现为它们是空间结构本身固有的一种能量形式。随着宇宙的膨胀,体积逐渐增大,物质密度、辐射密度以及能量都会逐渐降低,但暗能量的能量密度始终保持不变。数十亿年后,物质和辐射的密度都会下降到暗能量密度以下,导致宇宙膨胀速度进一步加快。

天文学家观测了大量的Ia型超新星,较好地测量了宇宙网络在早期、中期和晚期的演化过程,并从宇宙微波背景的波动和极化中提取了更多的细节,这让我们能够间接地了解暗能量。结果表明,暗能量表现为一个宇宙常数,这意味着它是空间本身固有的一种能量形式。暗能量也可以表现为一种更复杂的形式:作为能量的一般形式,它们有自己独特的状态方程。

暗能量的状态方程

天文学家描述暗能量的方式是通过一个参数:w,即状态方程。在物理学中,w把任何形式能量的能量密度与其压力联系起来。对于速度相对于光速可以忽略不计的物质而言,w=0,这意味着正常物质和暗物质都没有压力效应。另一方面,辐射会产生正压力:w=+1/3,这种正压力会导致宇宙膨胀速率随时间而降低。

对于暗能量,w=-1,这意味着暗能量会产生负压力。

广义相对论中的宇宙常数很有趣,因为它是除了宇宙中发现的物质和能量之外,唯一可以添加到爱因斯坦方程(或者从中推导出的弗里德曼方程)中的能量形式。它也出现在量子场论中,作为真空本身固有的能量。如果能够计算宇宙中所有粒子和场的贡献,以及它们如何应用于真空空间本身,我们在理论上可以得到空间本身的零点能量数值,也就是宇宙常数。

然而,计算所得到的结果太大了,比观测值大了120个数量级,这错得离谱。因此,暗能量需要通过一种不同的机制来解释。

暗能量的合理解释

有些物理学家放弃广义相对论,转而修正引力理论,这样就可以引入一些新的自由参数来解释暗能量,而不是局限于广义相对论中的宇宙常数。或者可以给宇宙引入一个新的场,它以多种可能的方式来耦合各种力或相互作用。

还有些物理学家建立一个模型,在暴胀阶段(发生于宇宙诞生的极早期)存在的条件与今天的暗能量有关。或者可以引入一个新的假设,它会带来不同于我们通常预期的宇宙效应。任何能够提供与宇宙常数大不相同观测值的模型都可以进行检验。

然而,每一个观测证据都表明暗能量和宇宙常数没有什么不同,暗能量表现为它们是空间结构本身固有的一种能量形式。为什么真空空间会有这样的性质呢?为什么宇宙结构的零点能量是一个正的非零值呢?为什么暗能量会表现出我们所观测到的行为呢?在量子真空理论取得突破之前,暗能量仍将是宇宙中最大的未解之谜。

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