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是什么加速了宇宙膨胀

时间:2022-02-14 理论教育 版权反馈
【摘要】:从那时开始,如果宇宙学常数的值不为零,那么它就应该代表了宇宙的加速膨胀。例如,我们不能排除暗能量来自一种“奇异物质”,它与一般的物质相反,能够加速宇宙膨胀。尽管我们不了解它们的性质,暗物质和暗能量仍然确确实实存在。它只占了宇宙内整体事物的3%到4%,绝对不会超过这个比例!

当我们排除了不可能,剩下的,即使看起来再不像真的,也应该是真的。

——夏洛克·福尔摩斯


得益于新的探测手段的使用,在近些年我们采集了许多来自宇宙的数据。特别是天体物理学家成功精确地分析了在爆炸中某些遥远的恒星(即我们所说的“超新星[2])所发出的光。他们自己都对他们的发现感到震惊。

天体物理学家观察到的遥远超新星与极其耀眼的爆炸相对应。超新星由密度非常高、个头不大的一个恒星(称为“白矮星”),和一个更高质量的伴星组成。白矮星的质量大约与太阳质量相等,但被压缩在了等同于地球大小的体积中,所以它的引力场非常强。这也是它拥有可怕吞噬能力的原因:它撕裂并吸收伴星里的物质。这种疯狂的吞噬增加了它的质量和密度,直到引起巨大的核爆炸。白矮星通过发出非常强烈的光而变得可见,且强光会持续多日。这类天体此时发出的光与10亿个太阳的光相等。

这类事件的宇宙学意义是它们能够被当作光的标准。它们构成了“标准烛光”,借此可以在更大尺度上研究宇宙。拥有这一特点是因为超新星的“光变曲线”[3]之间非常相似,都是首先达到峰值亮度并持续几周时间,随后则是亮度缓慢地减弱。所以,我们观察到的两条光变曲线之间的所有区别都只能是来自距离:超新星离我们越远,我们接收到的它的光越弱。通过对这些光强度的测量,我们便能够计算发出光的恒星和我们的距离,就像我们也可以通过比较汽车大灯表面发出的光和它的固有光强来判断汽车的距离一样。

观测结果显示这些超新星比“传统”宇宙学模型预计的距离更加遥远!这些结果证明了宇宙膨胀与我们此前所想象的相反,在几十亿年以来一直处在加速阶段。这说明了什么呢?在膨胀过程中,引力扮演了制动器的角色,因为它总是具有吸引的效果:引力尝试着将大质量天体相互拉近,所以物质只能减慢膨胀的速度。但是我们前面所说的测量似乎证实了另一个与引力作用相反的过程,它扮演了一个加速器的角色。一切就好像是被某种“反引力”所引导,它迫使宇宙不停加速膨胀。

这一加速的动力是什么?没有人能确切了解。物理学家们在知道自己对此并不了解的情况下,将这种动力称为神秘的“暗能量”

最勇敢的物理学家仍然提出了关于“暗能量”性质的几种假设。例如它可以是“宇宙学常数”。爱因斯坦在1917年引入这一标准,它的确符合宇宙空间对自己的某种斥力。从那时开始,如果宇宙学常数的值不为零,那么它就应该代表了宇宙的加速膨胀。但是也有其他的线索被提出。例如,我们不能排除暗能量来自一种“奇异物质”,它与一般的物质相反,能够加速宇宙膨胀。这种奇异物质,与我们所知的物质有着根本的区别,它可能占到宇宙质量的70%。但是它是由什么组成的呢?这个问题也仍然没有答案。最后,某些物理学家提出了可能作为备选的答案——量子真空(即使没有任何证据表明它对宇宙产生了引力作用)、空间的“额外维度”、神奇的“第五元素”,还有人建议修改引力定律,或认为与希格斯玻色子相关的场就可能符合答案……

尽管我们不了解它们的性质,暗物质和暗能量仍然确确实实存在。至此我们能够肯定的是,由恒星、星系组成的可见的、普通的物质,似乎是由原子组成,但其实这只是宇宙所包含事物中的一小块地带,是宇宙中可见的小泡沫。它只占了宇宙内整体事物的3%到4%,绝对不会超过这个比例!这足以让20世纪的物理学家保持谦虚,就算他们已经获得了许多的发现……

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