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用物理公式来理解暗能量天文在线

来源:水星 时间:2023/1/31

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宇宙正在膨胀,并且膨胀的速度在加快。如果宇宙中只有物质(比如常规物质和黑暗物质)和能量,那么我们预计膨胀将会放缓。暗能量是导致加速的原因。关于暗能量到底是什么,我们有一些有趣而含糊的猜测。

当爱因斯坦花时间思考关于下降过程中的电梯和火箭后,他开始有了一些对于暗能量的意识。这引出了一种用时空的几何学来描述引力性质(下降等诸如此类)的方法,以及该几何学与周围物质和能量之间的关系。爱因斯坦的场方程可以用来描述诸如行星和恒星之类的大型物体对时间和空间的影响,能够解释和预测水星轨道的怪异现象和其他一些物质,并且该方程已经通过了各种测试。最后一点很重要:我们很容易提出一些疯狂的新理论,但很难提出那种能够精确预测以前无法理解的结果的理论。

说到弗里德曼,有一天他正在思考关于宇宙的问题。爱因斯坦的场方程将质量/能量与时空的形状联系起来。因此,弗里德曼想到,当将这些方程式应用于整个宇宙时会发生什么?首先,他认为空间会随着时间的推移而扩大或收缩(为什么不这样呢?),然后,他将该假设带入进爱因斯坦的场方程,看它们是否成立。令人惊讶的是,这个操作比听起来容易多了。

图解:亚历山大·弗里德曼

在一个完全超大的规模(数十亿光年)中,宇宙的物质和能量大致均匀地分布。在这个规模上,我们将宇宙中的物质和能量描述为“宇宙流体”,因为在最大规模上,即使最大的物质团也无法与水里的原子区分开。这些“最大块”(据我们所知)是银河系超级星团,大约有十亿光年。宇宙中可观测到的超级星团有数百万个。而这只是可观察到的宇宙。仅根据我们可以看到的部分来猜测整个宇宙的大小,就像试图站在一个无特点的开阔领域中去猜测地球的大小一样。

图解:所以你在这里,你能知道地球有多大吗?

当试图描述那里有多少“外面的东西”时,语言完全失败了。重点是:如果我们想要弄清楚整个宇宙的秘密,最重要的是物质和能量的平均密度,其实各地的平均密度大致是相同的。你没必要考虑宇宙中的每个恒星和星系或整个宇宙的大小,就如同不必考虑一堆沙子中的每一粒沙子。

图解:空间的扩张通过扩散物质来降低物质的能量密度,并通过扩散物质和使其红移来降低辐射的能量密度。但是空间的扩大并不会降低暗能量的能量密度;相反,它似乎只会创造出更多的暗能量。

仔细研究膨胀的宇宙,我们发现将状态方程w=-1包含在内的“东西”是一个很好的选择。它对应了具有恒定密度的均匀负能量。

关于这一点有几件事……有点奇怪。恒定的密度意味着随着空间的扩大,周围会出现更多这样的东西。实际上,物质和辐射确实随着宇宙的膨胀而越来越稀疏,但是这种非常奇怪的新物质并没有被稀释。它具有负能量的事实就如同在一块奇怪的蛋糕上再放点冰块。

物理学家不知道除了“暗能量”以外,还有什么能称呼这种均匀的未被稀释的负能量物质。这并不是说我们知道了它是什么,但是我们也没有理由不给它起个名字。不幸的是,暗能量和暗物质是很难区分的(因此得名),因此很难准确地计算出每种暗能量和暗物质的数量。今天环绕在我们周围的物质和能量中,大约有75%的是暗能量,大约20%是暗物质,且5%或以下是常规物质。随着时间的流逝,随着太空的扩散,所有物质和辐射的暗能量百分比应接近%。

我们可以推断出暗物质的存在,在很大程度上是因为考虑到它的宇宙模型在描述观察到的宇宙演化方面做得很好,而没有考虑暗能量的模型则做得很糟糕。因为暗能量的数量似乎与周围空间的数量成正比,所以说暗能量是“空间的能量”似乎很合理。暗能量到底意味着什么,现在已经成为讨论和辩论的热门话题。有很多理论家和实验家试图直接检测或描述暗能量,如果运气好的话,他们可能会做到这一点。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3.ThePhysicist-张CC-askamathematician

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