1917年﹐阿爾伯特·愛(ài)因斯坦利用他的引力場(chǎng)方程﹐ 對(duì)宇宙整體進(jìn)行了考察。為了解釋物質(zhì)密度不為零的靜態(tài)宇宙的存在﹐他在場(chǎng)方程中引進(jìn)一個(gè)與度規(guī)張量成比例的項(xiàng)﹐用符號(hào)Λ 表示。該比例常數(shù)很小﹐在銀河系尺度范圍可忽略不計(jì)。只在宇宙尺度下﹐Λ 才可能有意義﹐所以叫作宇宙常數(shù)。
基本簡(jiǎn)介
20世紀(jì)20年代，天文學(xué)家認(rèn)為宇宙的大小是固定的。即便廣義相對(duì)論預(yù)示事實(shí)并非如此的時(shí)候，愛(ài)因斯坦也沒(méi)有轉(zhuǎn)變思路，找出正確答案。相反，他在自己的理論中發(fā)明了一個(gè)術(shù)語(yǔ)去抵消幾乎無(wú)處不在的引力，用以保持宇宙的恒定不變。阿爾伯特·愛(ài)因斯坦后來(lái)將這一術(shù)語(yǔ)(宇宙常數(shù))稱為他一生中“最大的錯(cuò)誤”。
美國(guó)科學(xué)家愛(ài)德文·哈勃的研究揭示了愛(ài)因斯坦的錯(cuò)誤，讓天文學(xué)家放棄對(duì)靜態(tài)、穩(wěn)定宇宙的原有認(rèn)識(shí)，重新開(kāi)始揭示一個(gè)奇異而令人困惑的宇宙。哈勃在自己的研究發(fā)現(xiàn)中采用了當(dāng)時(shí)新發(fā)現(xiàn)的“宇宙卷尺”――稱為“造父變星”(Cepheidvariable)的一類特殊恒星。通過(guò)在威爾遜山天文臺(tái)掃描天空，哈勃確定了天體――模糊星云(被認(rèn)為是銀河系中的氣態(tài)云)的距離。
在前人的基礎(chǔ)上，哈勃的研究不僅表明，這些星云是它們自己的星系，而且還通過(guò)測(cè)量它們隨時(shí)間而變化的速度，證實(shí)它們快速遠(yuǎn)離地球。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的研究還表明，距離銀河系越遠(yuǎn)，這些星云的速度越快。這種解釋聽(tīng)上去很有道理，但其他星系為何加速離開(kāi)地球的原因尚不得而知。大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為是暗能量在作祟，但他們尚不能準(zhǔn)確確定這一原因。
哈勃定律
1929年﹐哈勃發(fā)現(xiàn)星系紅移的哈勃定律﹐確定靜態(tài)宇宙模型與實(shí)際不符。但有些學(xué)者﹐如愛(ài)丁頓﹑威廉·德西特﹑澤爾多維奇則認(rèn)為宇宙常數(shù)可能有新的物理意義﹐不宜輕易拋棄。目前﹐學(xué)者們對(duì)宇宙常數(shù)的看法并不一致﹐有的認(rèn)為是正值﹔有的認(rèn)為是負(fù)值﹔有的認(rèn)為是常數(shù)﹔有的則認(rèn)為它隨時(shí)間而變化。但多數(shù)傾向于取正值﹐其物理意義可能代表宇宙真空?qǐng)?/a>的能量動(dòng)量張量與可能存在于物質(zhì)之間的斥力。估計(jì)宇宙常數(shù)的上限為10厘米。
阿爾伯特·愛(ài)因斯坦首次用引力場(chǎng)方程來(lái)研究宇宙的整體，開(kāi)創(chuàng)了理論宇宙學(xué)的新學(xué)科。在他提出“有限無(wú)界的靜態(tài)宇宙”模型時(shí)，已經(jīng)感覺(jué)到了“宇宙有引力收縮的趨勢(shì)”，為了不讓這個(gè)不情愿的趨勢(shì)破壞了美好的靜態(tài)，他特別引入了一個(gè)反引力的“宇宙常數(shù)”以抵消這種引力收縮的趨勢(shì)，從而人類失去了一項(xiàng)重大的科學(xué)預(yù)言的機(jī)遇。1929年哈勃觀察到星系光譜紅移和距離的線性關(guān)系，即所謂哈勃定律。人們把紅移歸結(jié)于宇宙的膨脹，并推論宇宙是由于一百多億年前的一次 大爆炸產(chǎn)生的，產(chǎn)生了標(biāo)準(zhǔn)的大爆炸宇宙學(xué)理論。當(dāng)阿爾伯特·愛(ài)因斯坦得知了哈勃發(fā)現(xiàn)的“宇宙普遍在膨脹”的事實(shí)后，愛(ài)因斯坦承認(rèn)自己引出的宇宙常數(shù)犯了一個(gè)關(guān)鍵性的最大錯(cuò)誤。事實(shí)上，愛(ài)因斯坦在黑洞問(wèn)題上最初也有反對(duì)意見(jiàn)。可事實(shí)是愛(ài)因斯坦的宇宙常數(shù)是正確的。
Hubble定律
Einstein當(dāng)初根據(jù)他的場(chǎng)方程解出的宇宙是膨脹的，他認(rèn)為宇宙應(yīng)該是平直的，所以他人為的加入了一項(xiàng)宇宙學(xué)常數(shù)項(xiàng)，使得給出的結(jié)果是平直的宇宙。但隨著Hubble發(fā)現(xiàn)了Hubble定律，證實(shí)了宇宙的膨脹，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦去掉了這個(gè)常數(shù)項(xiàng)，并宣稱這是他“一生犯的最大的錯(cuò)誤”。
然而今天，科學(xué)家重新引入了宇宙學(xué)常數(shù)項(xiàng)，這和當(dāng)初Einstein引入以給出平直宇宙模型不同，現(xiàn)在的宇宙學(xué)常數(shù)項(xiàng)代表了暗能量和暗物質(zhì)項(xiàng)，當(dāng)然這也是會(huì)影響到宇宙的發(fā)展的，但現(xiàn)在這項(xiàng)是有意義的，而不是當(dāng)初僅僅為了滿足個(gè)人觀念的需要。
經(jīng)過(guò)多年的觀測(cè)和研究，人們不僅發(fā)現(xiàn)了宇宙在膨脹，而且隨著觀測(cè)手段和工具的日益先進(jìn)，還發(fā)現(xiàn)了宇宙竟然在加速膨脹這似乎意味著有一種反引力的什么作用在其中扮演了重要角色，科學(xué)家將這種尚不知道的反引力作用稱為“暗能量”。據(jù)此人們說(shuō)，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的反引力宇宙常數(shù)似乎又要復(fù)活了。
暗能量介紹
1998年，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，宇宙不只是在膨脹，而且在以前所未有的加速度向外擴(kuò)張，所有遙遠(yuǎn)的星系遠(yuǎn)離我們的速度越來(lái)越快。那么一定有某種隱藏的力量在暗中把星系相互以加速膨脹的方式撕扯開(kāi)來(lái)，這是一種具有排斥力的能量，科學(xué)家們把它稱為“暗能量”。近年來(lái)，科學(xué)家們通過(guò)各種的觀測(cè)和計(jì)算證實(shí)，暗能量不僅存在，而且在宇宙中占主導(dǎo)地位，它的總量約達(dá)到宇宙總量的73%，而宇宙中的暗物質(zhì)約占23%、普通物質(zhì)僅約占4%.我們一直以為滿天繁星就已經(jīng)夠多了，宇宙中還有什么能比得上它們呢？而現(xiàn)在，我們才發(fā)現(xiàn)這滿天繁星卻是“弱勢(shì)群體”，剩下的絕大部分都是我們知之甚少或干脆一無(wú)所知的，這怎么不讓人感到驚心動(dòng)魄呢！
事實(shí)上，早在1930年，就有天體物理學(xué)家指出，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦那加入了宇宙常數(shù)的宇宙學(xué)方程并不能導(dǎo)出完全靜態(tài)的宇宙：因?yàn)?a href="/hebeideji/8154473583920459262.html">引力和宇宙常數(shù)是不穩(wěn)定的平衡，一個(gè)小小的擾動(dòng)就能導(dǎo)致宇宙失控的膨脹和收縮。而暗能量的發(fā)現(xiàn)告訴我們，愛(ài)因斯坦那作為與引力相抗衡的宇宙常數(shù)不僅確確實(shí)實(shí)存在，而且大大擾動(dòng)了我們的宇宙，使宇宙的膨脹速率嚴(yán)重失控。在經(jīng)歷了一系列曲折后，宇宙常數(shù)正在時(shí)間中復(fù)活。
宇宙常數(shù)今日以暗能量的面目出現(xiàn)在世人面前，它所產(chǎn)生的洶涌澎湃的排斥力已令整個(gè)宇宙為之變色！暗能量和引力之間的角力戰(zhàn)自宇宙誕生起就沒(méi)有停止過(guò)，在這場(chǎng)漫長(zhǎng)的戰(zhàn)斗中，最舉足輕重的就是彼此的密度。物質(zhì)的密度隨著宇宙膨脹導(dǎo)致的空間增大而遞減；但暗能量的密度在宇宙膨脹時(shí)，變化得非常緩慢，或者根本保持不變。在很久以前，物質(zhì)的密度是較大的，因此那時(shí)的宇宙是處于減速膨脹的階段；現(xiàn)今的暗能量密度已經(jīng)大于物質(zhì)的密度，排斥力已經(jīng)從引力手中徹底奪得了控制權(quán)，以前所未有的速度推動(dòng)宇宙膨脹。根據(jù)一些科學(xué)家的預(yù)測(cè)，再過(guò)200多億年，宇宙將迎來(lái)動(dòng)蕩的末日，恐怖的暗能量終將把所有的星系、恒星、行星一一撕裂，宇宙將只剩下沒(méi)有盡頭的寒冷、黑暗。
暗能量的發(fā)現(xiàn)，也充分地體現(xiàn)了人類認(rèn)知過(guò)程又走進(jìn)了一個(gè)“悖論怪圈”：即宇宙中所占比例最多的，反而是最遲也是最難為我們所知曉的。一方面人類現(xiàn)在對(duì)宇宙奧秘的了解越來(lái)越多，另一方面我們所要面對(duì)的未知也越來(lái)越多。而這日益深遠(yuǎn)的未知又反過(guò)來(lái)不斷刺激著人類去探索宇宙背后的真相。
暗能量是怎么來(lái)的？它將如何發(fā)展？這已經(jīng)是21世紀(jì)宇宙學(xué)所面臨的最重大問(wèn)題之一。
誕生說(shuō)明
阿爾伯特·愛(ài)因斯坦奮斗了近10年才得到廣義相對(duì)論，這個(gè)理論源于他在1907年的關(guān)鍵想法：重力和加速運(yùn)動(dòng)是等同的，愛(ài)因斯坦以他有名的想像實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明：一臺(tái)電梯靜止於強(qiáng)度為g的均勻重力場(chǎng)中，另一臺(tái)電梯在沒(méi)有重力場(chǎng)的空間中以等加速g前進(jìn)，則這兩臺(tái)電梯內(nèi)的物理，會(huì)完全一樣。
愛(ài)因斯坦也受到奧地利物理學(xué)家恩斯特·馬赫的強(qiáng)烈影響，馬赫認(rèn)為應(yīng)該拋棄時(shí)空絕對(duì)坐標(biāo)系的概念，在牛頓力學(xué)中，慣性指的是沒(méi)有受力的物體以固定速度運(yùn)動(dòng)的傾向，固定速度這個(gè)概念需要一個(gè)慣性的(沒(méi)有加速的)參考坐標(biāo)系，但所謂沒(méi)有加速度究竟是相對(duì)於哪個(gè)坐標(biāo)呢牛頓假設(shè)存在著一個(gè)絕對(duì)空間，一個(gè)用以定義所有局部慣性坐標(biāo)系的靜止參考坐標(biāo)系，不過(guò)，馬赫認(rèn)為慣性坐標(biāo)系是由宇宙中物質(zhì)的分布所定義的，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論相當(dāng)程度地實(shí)現(xiàn)了這個(gè)想法。
愛(ài)因斯坦的理論是頭一個(gè)有希望能夠完善地描繪宇宙的重力論，它不僅可以描述物體如何穿越時(shí)空，也可以描述時(shí)間和空間本身如何演變，當(dāng)愛(ài)因斯坦利用他的新理論來(lái)描述宇宙的時(shí)候，他所追尋的是一個(gè)有限的，靜態(tài)的，滿足馬赫原理的解(例如，物質(zhì)的分布如果僅局限於有限的空間范圍之內(nèi)，則似乎不能滿足馬赫原理，因?yàn)轳R赫認(rèn)為我們需要物質(zhì)以便定義空間)，這三項(xiàng)偏見(jiàn)使得愛(ài)因斯坦引入了宇宙項(xiàng)來(lái)建構(gòu)一個(gè)靜態(tài)解，這個(gè)靜態(tài)宇宙解是有限的也是沒(méi)有邊界的—它會(huì)彎曲回來(lái)，像是氣球表面。
消亡
在1917年，荷蘭宇宙學(xué)家威廉·德西特證明了即使沒(méi)有物質(zhì)，只要有宇宙常數(shù)，也可以找到一個(gè)時(shí)空解，這是非常不符馬赫原理的結(jié)果，后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)德西特的模型并不是靜態(tài)的時(shí)空，俄羅斯物理學(xué)家佛里特曼在1922年建構(gòu)了膨脹與收縮的宇宙，這個(gè)模型并不需要宇宙項(xiàng)，1929年美國(guó)物理學(xué)家哈伯發(fā)現(xiàn)宇宙在膨脹，在1930年，英國(guó)天文物理學(xué)家艾丁頓證明阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的宇宙其實(shí)并不真的是靜態(tài)的：因?yàn)橹亓εc宇宙項(xiàng)的平衡非常不穩(wěn)定，些許的微擾就會(huì)導(dǎo)致急速的膨脹或收縮，1931年，因哈伯的發(fā)現(xiàn)使得我們“不必以宇宙項(xiàng)來(lái)抵消重力”，愛(ài)因斯坦就正式放棄了宇宙項(xiàng)，他說(shuō)，“反正它的理論基礎(chǔ)也不令人滿意，”在接下來(lái)的60年里，宇宙項(xiàng)被排除在宇宙學(xué)之外。
復(fù)活
愛(ài)因斯坦曾說(shuō)，他這輩子犯下的最大錯(cuò)誤是在廣義相對(duì)論方程式中加入“宇宙常數(shù)”，即一種他設(shè)想的未知宇宙能量。但美國(guó)天文學(xué)家說(shuō)，根據(jù)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦沒(méi)錯(cuò)，宇宙中確實(shí)存在被科學(xué)家稱為“暗黑能量”的神秘力量，這種能量在推動(dòng)宇宙加速膨脹。
早先讓宇宙項(xiàng)復(fù)活的卻不是處理大宇宙尺度的相對(duì)論，而是處理小尺度世界的量子力學(xué)，但是宇宙項(xiàng)最令人驚訝的地方在於，即使愛(ài)因斯坦沒(méi)有因?yàn)橐粫r(shí)困惑而將它引進(jìn)理論之中，我們現(xiàn)在也了解到它的存在似乎還是無(wú)法避免，現(xiàn)今宇宙項(xiàng)復(fù)活的原因不在處理最大尺度宇宙的相對(duì)論，而在於量子力學(xué)，這個(gè)最小尺度世界的物理，我們對(duì)於宇宙項(xiàng)的嶄新觀點(diǎn)和阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的不同，他原先的方程式(Gμν=8πGTμν)聯(lián)系了空間的曲率(Gμν)和物質(zhì)與能量的分布(Tμν)，其中的G是界定重力強(qiáng)度的艾薩克·牛頓常數(shù)，當(dāng)愛(ài)因斯坦加進(jìn)宇宙項(xiàng)時(shí)，他把它放在方程式的左邊，認(rèn)為宇宙項(xiàng)是空間的性質(zhì)〈意義改變了〉，但是如果我們把它移到方程式的右邊，意義就完全不一樣，它代表了一種怪異的新型能量密度。
新觀點(diǎn)介紹
在探索宇宙演化的奧秘時(shí)，沒(méi)有什么能像暗能量這樣讓科學(xué)家如此感興趣。現(xiàn)有理論認(rèn)為，暗能量是一種因宇宙加速度膨脹而引發(fā)的力。
2006年1月11日，美國(guó)路易斯安娜州立大學(xué)的天文學(xué)家沙佛在美國(guó)天文學(xué)會(huì)會(huì)議上宣讀了一份研究論文，提出了一個(gè)新的觀點(diǎn)：暗能量施加的力可能隨著時(shí)間推移而發(fā)生變化。這個(gè)觀點(diǎn)對(duì)阿爾伯特·愛(ài)因斯坦提出的“宇宙常數(shù)”的正確性提出了新的質(zhì)疑。沙佛在天文學(xué)會(huì)會(huì)上接受本報(bào)記者采訪時(shí)說(shuō)：“我提出的觀點(diǎn)與愛(ài)因斯坦關(guān)于‘宇宙常數(shù)’的提法相左，這是描述暗能量如何隨時(shí)間而變的第一個(gè)研究成果。我們需要更多地去驗(yàn)證這一成果，以獲得更多信息。”
沙佛的發(fā)現(xiàn)是基于對(duì)發(fā)生在遠(yuǎn)至128億光年的伽馬射線大爆發(fā)的分析做出的。他發(fā)現(xiàn)，如果宇宙以不變的速度加速，這么遙遠(yuǎn)的伽馬射線爆發(fā)，似乎應(yīng)該比它被觀測(cè)到的要更加明亮。他說(shuō)：“當(dāng)你追溯往事時(shí)，宇宙越來(lái)越慢地向外推進(jìn)。在某一點(diǎn)，暗能量的壓力是零，對(duì)宇宙并沒(méi)有施加力量。對(duì)這一點(diǎn)，現(xiàn)有理論無(wú)法給出解釋。”
沙佛的發(fā)現(xiàn)（首次試圖采用伽馬射線爆發(fā)來(lái)研究暗能量）所產(chǎn)生的結(jié)果，與觀察不同超新星爆炸所積累的證據(jù)不一致。對(duì)超新星爆炸的觀察提出，宇宙的膨脹正在按阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的“宇宙常數(shù)”在加速。加州理工學(xué)院超新星宇宙學(xué)家埃里斯說(shuō)：“采用伽馬射線爆發(fā)作為‘距離顯示器’的創(chuàng)意，是非常令人激動(dòng)的。”他還說(shuō)：“我不是說(shuō)這種方法不好，問(wèn)題在于現(xiàn)在還沒(méi)有方法來(lái)檢驗(yàn)這一技術(shù)是否正確。”
1999年，科學(xué)家提出了暗能量理論，以解釋宇宙膨脹正在加速的事實(shí)。天文學(xué)家們認(rèn)為，暗能量構(gòu)成了70%%的宇宙，但他們不知道暗能量究竟是什么。美國(guó)天文學(xué)會(huì)主席柯施諾說(shuō)：“暗能量是如此不可思議。人人都在尋找辦法對(duì)它加以解釋。”
美國(guó)航空航天局于2000年發(fā)射的高能瞬間探測(cè)衛(wèi)星———HETE-2，以及2004年發(fā)射的雨燕號(hào)伽馬射線探測(cè)器，是目前觀測(cè)伽馬射線爆發(fā)的最好工具。這兩枚衛(wèi)星都是用來(lái)定位和觀測(cè)伽馬射線爆發(fā)的。伽馬射線爆發(fā)一般持續(xù)幾毫秒至幾分鐘。沙佛分析了52次爆發(fā)，從中發(fā)現(xiàn)：最遙遠(yuǎn)的爆發(fā)比用宇宙常數(shù)曾預(yù)測(cè)的爆發(fā)要明亮。這表明宇宙的膨脹曾經(jīng)以比現(xiàn)有速度要慢的速度加速。
參考資料 >