仰望星辰—极简天体物理学/暗能量魅影

1、空间的膨胀的追问

爱因斯坦得知哈勃的观测结果后,引力方程把宇宙常数取消,一切都非常和谐,这是一个膨胀的宇宙。

宇宙膨胀的意思是什么?大爆炸带来的膨胀,是空间本身的膨胀。在广义相对论里,空间不是虚空,而是可以传播引力,可以弯曲变形的实实在在的东西。就像比喻中的床单,有质量的物体落到上面,都会引起床单的塌陷弯曲,弯曲程度取决于质量。

在宇宙起源之前,时空都不存在。大爆炸后空间膨胀了,日月星辰才有了在其中玩耍的场所。我们可以把空间想象成一张网,所有的物质都在这张网上,而网本身在膨胀变大,就像比喻中吹大的气球表面。

物理定律要求任何物质的移动速度不能超过光速。但是,这是说物质在空间中的运动,并不是说空间本身的运动。

事实上,宇宙的膨胀速度可以超过光速。在大爆炸刚开始,早期宇宙的膨胀速度都是超光速。

如果真是这样,这就意味着,宇宙中有很多星系,因为距离我们太远,膨胀的速度超过了光速,我们永远不可能看见它们了。

但是,虽然大爆炸初始,速度很快,但由于星系间的引力作用,会不会宇宙的膨胀速度越来越慢呢?就比如,你向高空抛出一个球,脱离时速度很快,但因为引力作用,上升速度会越来越慢,最后还会掉回来。

2、宇宙常数的回归

1998年,有两组天文学家想测一下宇宙膨胀的速度减慢到什么程度。他们观测了一个叫“Ia型超新星”的爆发。它最初是一个双星系统,其中一颗是白矮星,它吸收另一颗星的质量,等质量增长到一个数值时,就会突然爆发,变成超新星。

这种超新星引爆质量一样,亮度永远一样,通过观测到达地球的亮度,就可以计算距离地球多远。

同时根据光谱看红移的情况,可以用宇宙爆炸理论的膨胀模型计算与超新星的距离。这两个距离的数据差就是膨胀速度减慢的程度。

结果再一次毁宇宙观,实际距离比模型计算的距离大了15%,这意味着,宇宙膨胀没有减速,而且还在加速。这个结果经检验没有疑问,还获得2011年诺贝尔奖。

物理学家只能把宇宙常数重新放回引力方程,但这个常数的数值要修改,变成描述宇宙加速膨胀。

3、暗能量的魅影

那么,这个宇宙常数有什么物理意义呢?物理学家解释不了,只能沿用暗物质的命名传统,称之为暗能量。

现在更进一步的估算,宇宙的全部能量中,寻常物质只占4%,暗物质占26%,暗能量占70%。

暗能量提供的是一种真空中的斥力。但它到底是什么,我们还是不知道。

暗能量是真空中的能量。宇宙越膨胀,真空越大,暗能量就越大。现在物理学家知道了,在50亿年前,暗能量的比例达到一定数值,宇宙就加速膨胀了。

随着空间越大,暗能量越来越多,宇宙膨胀的加速度也会越来越大。这就意味着远方的星系以越来越快的速度在远离我们,永不回头。

根据计算,再过一万亿年,除银河系外,我们的天空再也没有其他星星。

这意味着,如果今天的宇宙知识没有流传下去,未来银河系的智慧生命将只知道宇宙有个银河系。他们不知道很多关键信息。

这个问题回看这个时代的我们,是否已经缺失了很多关键信息呢?以至于我们永远无法理解到这个宇宙。

宇宙没有义务让我们可以理解。

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