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是誰給了宇宙膨脹一個加速度

2019-01-17 09:09來源﹕科技日報

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  目前的宇宙構成以暗能量為主(上)大爆炸初期暗物質主宰著宇宙(下)

  夜晚於蒼穹之下仰望星空﹐看到滿天星斗﹐不免讓人感嘆﹕宇宙如此深邃。

  隨著科技的進步﹐人類對宇宙的認識不斷加深。

  近日﹐瑞典烏普薩拉大學的研究人員提出了一種全新的宇宙模型﹐該模型認為整個宇宙位於某個維度中一個擴張的“氣泡”的邊緣上﹐這一新模型有助於解答宇宙暗能量之謎。

  暗能量讓宇宙加速膨脹

  1929年﹐美國天文學家哈勃發現浩瀚的宇宙並不是靜態的﹑永恆不變的﹐事實上它每時每刻都在膨脹。

  科學研究及天文觀測發現﹐宇宙從大爆炸開始﹐就在不斷膨脹﹐而星系彼此之間的分離就是膨脹的具體體現。

  “1998年﹐國際上兩個超新星研究小組通過對Ia超新星的觀測和分析, 各自獨立地發現了宇宙不僅在膨脹﹐而且正在加速膨脹。”中科院國家天文臺研究員高長軍告訴科技日報記者。

  事實上﹐解釋宇宙加速膨脹是現代科學中最大的挑戰之一。原因是根據愛因斯坦的廣義相對論﹐由於引力的作用﹐宇宙中所有物體都必定互相吸引﹐這就必然導致宇宙的膨脹會越來越慢﹐也就是說宇宙膨脹應是減速的﹐而不是加速。

  那麼﹐如何解釋宇宙的加速膨脹呢﹖宇宙加速膨脹的動力來自哪裡呢﹖很顯然﹐這需要宇宙中存在一種能夠產生排斥力的東西﹐正是它推動了宇宙加速膨脹。科學家們猜測﹐暗能量是造成宇宙加速膨脹的幕後推手﹐也就是說暗能量是宇宙空間的排斥力。

  暗能量中所謂的“暗”﹐一方面表明它不發光﹐另一方面也表明我們對它一無所知。美國天文學會主席柯施諾曾說﹕“暗能量是如此不可思議。人人都在尋找辦法對它加以解釋。”

  高長軍表示﹐暗能量是一種未知的能量形式﹐它分佈在整個宇宙空間﹐加速宇宙的膨脹。最近的宇宙學觀測表明﹐人類熟悉的原子物質(重子物質)只佔宇宙總能量的4%﹐而剩下的能量部分都是看不見的暗物質和暗能量﹐其中暗物質佔23%﹐暗能量約佔72%。

  光榮回歸的宇宙學常數

  說到暗能量﹐宇宙學常數就是一個繞不過去的概念。它最初是愛因斯坦為了得到一個靜態的宇宙模型而提出的。

  1915年﹐愛因斯坦發表了他的廣義相對論──一種將時空結合在一起的引力理論﹐這也是研究宇宙學的基礎。因為我們的宇宙由地球﹑太陽﹑銀河系等物質組成﹐而物體之間有引力相互作用﹐使得我們的宇宙必然會收縮。

  “但是﹐在20世紀初﹐人們認為我們所在的宇宙是靜態的﹐並不存在膨脹和收縮的問題。為了抗衡宇宙中物質引力將導致的宇宙收縮﹐使得宇宙處於靜態﹐愛因斯坦在他的廣義相對論引力場方程裡加入了一個宇宙學常數項。這個常數的動力學效果相當於排斥力﹐這個斥力與物質間的引力正好相抵消﹐宇宙才能靜止。” 中國科學技術大學物理學院天文系教授孔旭曾表示。

  然而﹐隨著哈勃定律的發現﹐人們認識到宇宙不是靜態的。愛因斯坦就在引力場方程中去掉了這個常數﹐並宣稱宇宙學常數的引入﹐是他“一生犯的最大的錯誤”。

  “現在科學家又重新引入了宇宙學常數﹐這和當初愛因斯坦將其引入以解釋靜態宇宙模型不同﹐現在的宇宙學常數被用來作為暗能量的候選者﹐也就是充當斥力項﹐如果宇宙學常數足夠大﹐那麼斥力就可以大於物質間的引力﹐就可以很好地解釋宇宙加速膨脹。”高長軍說道。

  事實上﹐早在1930年﹐就有天體物理學家指出﹐愛因斯坦那加入了宇宙學常數的引力場方程並不能導出完全靜態的宇宙﹕因為引力和宇宙常數是不穩定的平衡﹐一個小小的擾動就能導致宇宙發生失控的膨脹和收縮。而暗能量的發現告訴我們﹐那作為與引力相抗衡的宇宙常數不僅確確實實存在﹐而且大大擾動了我們的宇宙﹐使其正“加速飛奔”。在經歷了這一系列曲折後﹐宇宙常數又光榮“回歸”了。

  除了宇宙學常數之外﹐科學家們也在積極考慮暗能量的其他候選者。比如有人認為﹐暗能量有可能是一種假想的能量﹐它同樣分佈在整個宇宙空間﹐但會隨時間改變﹐甚至能在不同的地方聚集。暗能量的其他候選者也可能是一種經過修改的引力理論﹐它在小尺度上表現為引力﹐在大尺度上表現為斥力。

  氣泡上的四維宇宙

  新近提出的氣泡模型﹐也是解釋宇宙加速膨脹的一種觀點。這個模型引入了一個與我們熟知時空不同的維度﹐整個宇宙被安置在該維度中一個不斷擴張的“氣泡”邊緣﹐宇宙中所有物質都對應著可以延伸到那個額外維度空間的弦的末端。根據這個模型﹐在另一個維度空間中可能還存在其他“氣泡”﹐而這些“氣泡”上也可能存在其他宇宙。

  研究人員認為﹐這個擴張氣泡模型是一個全新概念﹐它與弦理論的框架兼容﹐也有望用於解釋暗能量之謎。弦理論的基本觀點是﹐自然界的基本單元不是電子﹑光子﹑中微子和誇克之類的點狀粒子﹐而是很小很小的線狀的“弦”。弦理論可以使二十世紀兩大物理學基礎理論──相對論和量子力學在一個數學框架內統一起來。

  弦理論確信至少需要十個維度才能建立一個理論框架﹐讓描述微觀世界的量子力學與描述宏觀引力的廣義相對論互相兼容。弦理論家假定﹐宇宙中所有粒子都被局限在一個四維的膜宇宙中﹐而膜宇宙又鑲嵌在一個更高維度的空間裡。不過引力子可以從膜宇宙中穿入穿出。

  但是弦理論目前還沒有被實驗證實。

  在高長軍看來﹐氣泡模型的思想類似于DGP(Dvali-Gabadadze-Porrati)模型。他表示﹐DGP模型認為﹐我們這個四維的宇宙鑲嵌在一個五維的空間當中﹐我們所觀測到的所有的物質都被限制在這個四維宇宙之中。引力在小尺度(四維)上是四維的﹐會比較強﹔但在距離更遠的大尺度上是五維的﹐引力相應地也就變弱了﹐這樣也可以解釋宇宙為什麼會加速膨脹。而氣泡模型認為﹐在兩個能量不同的五維空間的邊界存在一個四維空間﹐這就像二維圓面的邊界是一維圓周﹐三維球體的邊界是二維的球面一樣﹐我們的宇宙就在兩個五維空間的邊界-四維空間-之中。

  由此可見﹐我們的宇宙也不容易﹐“它在夾縫中頑強地活著”。(記者 陸成寬)

[責編﹕武玥彤]

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