宇宙的终极命运究竟如何?先解开暗能量的谜团

2018-01-04 09:55 来源:网络整理 

        【每日科技网】

  人们原以为宇宙的膨胀一定是减速的,然而,这货竟然是在加速膨胀。

  只有在一个宇宙学常数足够小的宇宙中,星系等结构才得以形成,人类才可能出现,人类才有机会发现我们处于这样的一个宇宙中。

  宇宙的最终命运由暗能量的性质来决定。

  暗能量性质主要由状态方程参数w来刻画,因此解决暗能量问题的一个关键步骤是测量w。

  暗能量探测计划有望在宇宙加速膨胀的研究方面取得实质性进展,为我们彻底揭开暗能量的谜团,并揭示宇宙的最终命运。

  发现宇宙加速膨胀

  20世纪20年代,哈勃发现了宇宙膨胀。宇宙不是静态的、一成不变的,它的浩瀚的空间每分每秒都在扩张,星系之间彼此远离而去。宇宙膨胀是20世纪最伟大的科学发现之一,直接引导出了大爆炸宇宙学的学说。几乎所有人都认为宇宙的膨胀必定是减速的,也就是说,膨胀越来越慢。这很容易理解,物质之间存在万有引力,宇宙中所有物体都必定互相吸引,这必然导致宇宙的膨胀越来越慢。如果宇宙中总的物质密度超过某个临界值(宇宙的临界密度),那么宇宙还会在未来的某个时刻停止膨胀并开始收缩,最终把所有物质压缩到一个奇点(被称为“大挤压”奇点)。如果宇宙中的总物质密度小于或等于临界密度,宇宙还是会永远膨胀下去,尽管膨胀越来越慢。这是直至20世纪末人们对宇宙膨胀的理解。

  然而,出乎所有人意料,在1998年,有两个超新星观测小组通过对遥远的超新星爆发的测量分别独立地发现,宇宙在当前竟然是加速膨胀的。也就是说,宇宙的膨胀在当前是越来越快,而不是越来越慢。这与万有引力是吸引力的经验事实明显不符。宇宙加速膨胀的发现震惊世界。人们需要弄清楚,到底是何种神秘力量推动宇宙加速膨胀的呢?

  1998年,两个超新星观测小组通过测量Ia型超新星的距离-红移关系,分别独立地发现宇宙当前的膨胀正在加速。这一发现震惊世界。人们立刻意识到,爱因斯坦在1917年提出的宇宙学常数Λ有可能就是宇宙加速膨胀的幕后推手。这一发现在1998年被Science杂志选为当年的年度科学突破,图为Science杂志1998年12月8日刊封面。  提出暗能量假说

  如何解释宇宙的加速膨胀?很显然,需要宇宙中存在一种能够产生排斥力的东西,当它主导宇宙的演化时,即可推动宇宙加速膨胀。这听起来似乎有点耸人听闻,有什么东西产生的万有引力竟然会是排斥力呢?其实,广义相对论中是可以允许排斥性引力存在的。早在爱因斯坦刚写下的引力场方程时就意识到这一点了,即场方程中确实允许一个常数项存在,这一项等效于空间本身具有的均匀的能量密度,它的引力即是排斥性的。这个常数就是的“宇宙学常数”。

  也可以在广义相对论场方程中考虑类似于宇宙学常数的引力源,只要这种场源产生的压强是负的,其万有引力就是排斥性的。人们把这种可以产生负压强(或排斥性引力)的能量成分称为“暗能量”。可以定义其压强与能量密度之比为状态方程参数w。只要暗能量在宇宙中占据主导地位,且w<-1/3,它就可以推动宇宙加速膨胀。

  但暗能量假说引出了更多的问题。比如,暗能量到底是不是宇宙学常数?如果是宇宙学常数,如何解释其理论值大小与测量值大小明显不符(相差了120个数量级)?

  宇宙学常数问题

  宇宙学常数最初是爱因斯坦为了得到一个静态宇宙的模型而提出的。但宇宙并非静态的,而是膨胀的。爱因斯坦本可以利用广义相对论场方程预言宇宙膨胀,但由于他相信宇宙是静态的而错失了做出这一重大预言的机会。爱因斯坦为此很懊恼,声称引入宇宙学常数是他一生中的错误,并认为应该从场方程中抛弃这一常数项。

  爱因斯坦为了构造一个静态的宇宙模型而在广义相对论的引力场方程中引入了宇宙学常数项,他也因此错失了预言宇宙膨胀的重要机会。宇宙学常数引出了非常深刻的物理问题,至今仍困扰着理论物理学家。目前,宇宙学常数是暗能量的头号候选者。 但是,宇宙学常数是很难从爱因斯坦场方程中抛弃的,因为并没有更深刻的物理学原理禁止宇宙学常数出现在场方程中。抛弃这一项需要深刻的道理。没有在已知的物理学理论中找到这个道理。爱因斯坦之后,很多的物理学家都花了很大力气研究如何从场方程中扔掉宇宙学常数,但这些努力都以失败告终。宇宙学常数的值显然没有静态宇宙模型所要求的那么大,但它也不一定非要等于零。