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是谁给了宇宙膨胀一个加速度

2019-01-17 09:09来源:科技日报

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  目前的宇宙构成以暗能量为主(上)大爆炸初期暗物质主宰着宇宙(下)

  夜晚于苍穹之下仰望星空,看到满天星斗,不免让人感叹:宇宙如此深邃。

  随着科技的进步,人类对宇宙的认识不断加深。

  近日,瑞典乌普萨拉大学的研究人员提出了一种全新的宇宙模型,该模型认为整个宇宙位于某个维度中一个扩张的“气泡”的边缘上,这一新模型有助于解答宇宙暗能量之谜。

  暗能量让宇宙加速膨胀

  1929年,美国天文学家哈勃发现浩瀚的宇宙并不是静态的、永恒不变的,事实上它每时每刻都在膨胀。

  科学研究及天文观测发现,宇宙从大爆炸开始,就在不断膨胀,而星系彼此之间的分离就是膨胀的具体体现。

  “1998年,国际上两个超新星研究小组通过对Ia超新星的观测和分析, 各自独立地发现了宇宙不仅在膨胀,而且正在加速膨胀。”中科院国家天文台研究员高长军告诉科技日报记者。

  事实上,解释宇宙加速膨胀是现代科学中最大的挑战之一。原因是根据爱因斯坦的广义相对论,由于引力的作用,宇宙中所有物体都必定互相吸引,这就必然导致宇宙的膨胀会越来越慢,也就是说宇宙膨胀应是减速的,而不是加速。

  那么,如何解释宇宙的加速膨胀呢?宇宙加速膨胀的动力来自哪里呢?很显然,这需要宇宙中存在一种能够产生排斥力的东西,正是它推动了宇宙加速膨胀。科学家们猜测,暗能量是造成宇宙加速膨胀的幕后推手,也就是说暗能量是宇宙空间的排斥力。

  暗能量中所谓的“暗”,一方面表明它不发光,另一方面也表明我们对它一无所知。美国天文学会主席柯施诺曾说:“暗能量是如此不可思议。人人都在寻找办法对它加以解释。”

  高长军表示,暗能量是一种未知的能量形式,它分布在整个宇宙空间,加速宇宙的膨胀。最近的宇宙学观测表明,人类熟悉的原子物质(重子物质)只占宇宙总能量的4%,而剩下的能量部分都是看不见的暗物质和暗能量,其中暗物质占23%,暗能量约占72%。

  光荣回归的宇宙学常数

  说到暗能量,宇宙学常数就是一个绕不过去的概念。它最初是爱因斯坦为了得到一个静态的宇宙模型而提出的。

  1915年,爱因斯坦发表了他的广义相对论——一种将时空结合在一起的引力理论,这也是研究宇宙学的基础。因为我们的宇宙由地球、太阳、银河系等物质组成,而物体之间有引力相互作用,使得我们的宇宙必然会收缩。

  “但是,在20世纪初,人们认为我们所在的宇宙是静态的,并不存在膨胀和收缩的问题。为了抗衡宇宙中物质引力将导致的宇宙收缩,使得宇宙处于静态,爱因斯坦在他的广义相对论引力场方程里加入了一个宇宙学常数项。这个常数的动力学效果相当于排斥力,这个斥力与物质间的引力正好相抵消,宇宙才能静止。” 中国科学技术大学物理学院天文系教授孔旭曾表示。

  然而,随着哈勃定律的发现,人们认识到宇宙不是静态的。爱因斯坦就在引力场方程中去掉了这个常数,并宣称宇宙学常数的引入,是他“一生犯的最大的错误”。

  “现在科学家又重新引入了宇宙学常数,这和当初爱因斯坦将其引入以解释静态宇宙模型不同,现在的宇宙学常数被用来作为暗能量的候选者,也就是充当斥力项,如果宇宙学常数足够大,那么斥力就可以大于物质间的引力,就可以很好地解释宇宙加速膨胀。”高长军说道。

  事实上,早在1930年,就有天体物理学家指出,爱因斯坦那加入了宇宙学常数的引力场方程并不能导出完全静态的宇宙:因为引力和宇宙常数是不稳定的平衡,一个小小的扰动就能导致宇宙发生失控的膨胀和收缩。而暗能量的发现告诉我们,那作为与引力相抗衡的宇宙常数不仅确确实实存在,而且大大扰动了我们的宇宙,使其正“加速飞奔”。在经历了这一系列曲折后,宇宙常数又光荣“回归”了。

  除了宇宙学常数之外,科学家们也在积极考虑暗能量的其他候选者。比如有人认为,暗能量有可能是一种假想的能量,它同样分布在整个宇宙空间,但会随时间改变,甚至能在不同的地方聚集。暗能量的其他候选者也可能是一种经过修改的引力理论,它在小尺度上表现为引力,在大尺度上表现为斥力。

  气泡上的四维宇宙

  新近提出的气泡模型,也是解释宇宙加速膨胀的一种观点。这个模型引入了一个与我们熟知时空不同的维度,整个宇宙被安置在该维度中一个不断扩张的“气泡”边缘,宇宙中所有物质都对应着可以延伸到那个额外维度空间的弦的末端。根据这个模型,在另一个维度空间中可能还存在其他“气泡”,而这些“气泡”上也可能存在其他宇宙。

  研究人员认为,这个扩张气泡模型是一个全新概念,它与弦理论的框架兼容,也有望用于解释暗能量之谜。弦理论的基本观点是,自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子,而是很小很小的线状的“弦”。弦理论可以使二十世纪两大物理学基础理论——相对论和量子力学在一个数学框架内统一起来。

  弦理论确信至少需要十个维度才能建立一个理论框架,让描述微观世界的量子力学与描述宏观引力的广义相对论互相兼容。弦理论家假定,宇宙中所有粒子都被局限在一个四维的膜宇宙中,而膜宇宙又镶嵌在一个更高维度的空间里。不过引力子可以从膜宇宙中穿入穿出。

  但是弦理论目前还没有被实验证实。

  在高长军看来,气泡模型的思想类似于DGP(Dvali-Gabadadze-Porrati)模型。他表示,DGP模型认为,我们这个四维的宇宙镶嵌在一个五维的空间当中,我们所观测到的所有的物质都被限制在这个四维宇宙之中。引力在小尺度(四维)上是四维的,会比较强;但在距离更远的大尺度上是五维的,引力相应地也就变弱了,这样也可以解释宇宙为什么会加速膨胀。而气泡模型认为,在两个能量不同的五维空间的边界存在一个四维空间,这就像二维圆面的边界是一维圆周,三维球体的边界是二维的球面一样,我们的宇宙就在两个五维空间的边界-四维空间-之中。

  由此可见,我们的宇宙也不容易,“它在夹缝中顽强地活着”。(记者 陆成宽)

[责编:武玥彤]

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