暗能量科普知识

时间：2023-08-18 07:35:54 文/马振华老师资料学文网www.xuewenya.com

　　暗能量是所有物理学中最大的谜团之一。

　　根据我们的最佳观察，宇宙不能仅由物质和辐射构成，而是需要一个与我们所知不一样的附加成分。它不会结块或聚集；它没有我们知道的相关粒子或量子；它似乎在任何地方、任何时间和所有方向都是相同的。尽管我们可以描述它如何影响宇宙，并限制它所不表现出的行为，但是我们仍然不确切知道什么是暗能量。

　　暗能量很可能是世俗的：空间本身固有的一种能量形式，与我们今天所观察到的一样，永远不会改变、发展、增强、减弱或做任何不同的事情。但是，总有可能暗能量比我们通常认为最简单、最幼稚的实体负责。在我们更好地理解暗能量是什么以及它如何工作之前，我们必须接受一个极其不舒服的可能性：毕竟，暗能量可能会毁灭整个宇宙。

　　如果您想了解暗能量是什么以及它是如何工作的，那么最简单的起点就是我们观察到的宇宙的开始：炽热的大爆炸。在大爆炸的最早瞬间，空间变得异常热和致密，充满了巨大的能量、物质、反物质和辐射。但是它也以令人难以置信的快速扩张，以恰当的初始速度平衡了引力的吸引力。就像在一场比赛中那样思考，所有不同形式的能量都在相互吸引，而最初的膨胀使一切迅速分离。大爆炸是这场比赛的起跑器，您可以立即想象这场比赛可以通过三种方式结束：

　　引力胜了，克服了膨胀，使宇宙在大危机中崩溃了，膨胀获胜，因为万有引力无法将事物拉回去，结构飞散，最终以大冻结结束，或两者完美平衡，因为膨胀率降至零，但再也不会崩溃，因此出现“金发姑娘（“金发姑娘原则”指出，凡事都必须有度，而不能超越极限）”（或严重）情况。

　　我们怎么知道宇宙的最终命运？从理论上讲，宇宙的膨胀率必须随着时间的流逝而变化，受广义相对论定律的支配。随着宇宙的膨胀，它的密度降低，并且由于辐射损失能量而冷却。因此，我们可以通过测量宇宙的膨胀，通过测量来自不同距离的星系发出的光有多严重偏移来了解宇宙的膨胀。

　　想象一下，您可以在整个宇宙的历史中看到一个星系。起初，它的消退速度非常快，但是随着宇宙膨胀率下降，它似乎会放慢速度。宇宙是否崩溃，将取决于表观的衰退速度如何随着时间而放缓。到20世纪90年代后期，我们已经有足够的数据来整理这些信息，并根据我们对许多星系的观察来重建一个星系会发生什么。但是他们的发现令人震惊：不仅所有这些情况都是无效的，而且遥远的星系并没有因为我们的消退而放慢速度，反而在加速。

　　如果您可以从“大爆炸”开始之初就观察到一个星系，那么您会发现它从我们的角度迅速消退，然后在我们的`消退中减速了70亿多年，随着引力的作用越来越慢努力抵消膨胀。然后，大约在60亿年前，该星系将停止减速，转而再次远离我们。

　　与广义相对论和我们收集到的全套数据一致的唯一解释是：宇宙还有一个附加成分，甚至超出了暗物质、正常物质、中微子、辐射、黑洞和引力波。它不会随时间变化很大，只有在物质和辐射密度降至临界值以下时才变得重要。据我们所知，它的行为就像是空间本身固有的一种能量形式：暗能量。

　　如果看起来暗能量，那将对我们宇宙的未来命运产生巨大而深远的影响。根据其当前的行为，我们被数据吸引来推断暗能量是一个常数：其能量密度不会随时间变化。这意味着，随着宇宙的膨胀和体积的增加，它实际上会获得能量。（从小范围来看，违反了能量守恒，但是对于不断膨胀的宇宙，能量守恒。）

　　如果确实如此，那么我们宇宙的遥遥无期。大约60亿年前，在暗能量开始支配宇宙膨胀之前，已经被引力相互束缚的物体将保持束缚，因此银河系甚至本地集团都是安全的。但是，尺度更大的结构将继续彼此远离，并且随着时间的流逝，它们似乎将越来越快地消失。

　　最终，我们的本地集团将合并为一个巨大的星系，所有其他星系组和星系团也将融合在一起，而它们彼此之间则相互远离。随着时间的流逝，它们会加速，因此即使我们以光速发射了航天器，它们也永远不会到达我们的目的地。令人惊讶和令人不安的是，这已经发生在我们距离超过180亿光年的宇宙中的每个星系，据估计，可观察到的宇宙中有94％的星系。

　　如果暗能量确实是一个常数，那么我们的宇宙将以一场大结局结束，而我们的命运将是一个寒冷而寂寞的命运。不像我们在一开始就提到的“膨胀战胜万有引力”方案，但是，膨胀战果断地获胜，而我们等待的时间越长，胜利就越具有决定性。暗能量以这种方式运行有两个合理的原因，我们不知道哪个（如果有）是正确的：

　　宇宙常数——在广义相对论中，您可以向理论中添加一个“常数”，该常数会始终影响宇宙的膨胀率。如果此常数为正且不为零，则很容易造成暗能量。量子真空的零点能量——在量子场论中，系统的最低能量状态（称为基态）不必为零，而可以为有限的非零值。如果空白空间的基态具有正的有限值，那么这也可能是暗能量的原因。

　　但是，没有内在的理由将自己限制在这些简单但没有想象力的场景中。实际上，如果我们考虑将能量固有于结构的空间这一想法，那么宇宙历史上还有另一个时间应该发挥重要作用：在宇宙膨胀期间，引发了热潮。膨胀使宇宙扁平化，并在所有地方赋予其相同的特性，直到（某种程度上（我们不知道确切如何））原始空间结构所固有的能量转化为粒子和辐射，启动热的大爆炸。

　　20多年来，人们一直在猜测膨胀与暗能量之间的可能联系，其理论将两者结合在一起，称为“第五元素”，其他四个元素是土、火、水和空气。今天，有四种基本力：引力，电磁力和强弱核力。存在第五种基本力量，并使其膨胀并加速宇宙的可能性，是这种精髓思想的现代化身。

　　暗能量的宇宙学常数或零点能量解释与精粹解释之间的最大区别在于，前两者不会随时间变化，而精粹则可以。实际上，如果精粹的大观念是正确的，那必然意味着它至少发生了一次变化：从通货膨胀即将结束之前到炙手可热的大爆炸开始。而且，如果更改一次，但今天还没有完全稳定，则可能会再次更改。

　　这种改变的可能性使人们无法预测我们的未来。如果暗能量永远不是一个完美的常数，那么如果这个假设被证明是错误的，那么我们得出的关于宇宙最终命运的任何结论都会改变。尽管我们对暗能量的恒定程度设置了相当好的约束，但它们的高功率率约为10％。美国宇航局即将成立的南希·格雷斯·罗马天文台（一种广域，高功率的哈勃望远镜（以前称为WFIRST））将这些限制提高了十倍，使我们能够检测到暗能量中的任何不均匀性，降低到大约1％的水平。

　　如果任其改变，那么对于我们命运的不同，将会出现三种引人入胜的可能性。

　　暗能量可以自发地转变为低能量状态。这种称为真空衰变的事件会自发地改变自然定律/常数，从而破坏我们在亚原子水平上已知的物质。无论这种过渡发生在哪里，它都会影响该空间中的所有事物，并且该过渡应以光速向外传播。如果它到达了我们，它将摧毁我们，而我们却看不到它的到来。暗能量可以随着时间缓慢地逐渐增加（或减少）。

　　如果暗能量随着时间而变强，空间最终将使其自身分裂，从而导致大裂变场景，从而使原子自身分裂。或者，如果暗能量的强度增加但其符号反转（从正变负），则宇宙最终将崩溃并以大紧缩结束。暗能量可能会慢慢消失。暗能量可能会缓慢转换为粒子/反粒子对或辐射，而不是一次全部改变，类似于黑洞最终将如何衰变。这可能会改变我们的命运，使我们回到“临界宇宙”道路上，随着最后的暗能量衰减掉，膨胀速度降至零。

　　确实是一个了不起的事实，尽管我们想出了各种不同的方法来测量宇宙中最遥远的范围，但它们仍然合在一起。遵循我们知道的物理定律，从一开始就开始，然后在热大爆炸发生时添加正确的成分——正常物质、暗物质、辐射、中微子和暗能量——您将获得我们观察到的宇宙。尽管有大量的独立方法来测量宇宙，但这张照片仍然是每一张照片的有效解释。

　　但这并不一定意味着暗能量是我们可以归为最简单的东西。这并不意味着暗能量是一个简单、不变的常数，它有138亿年来的某种价值，这个价值永远不会改变。相反，暗能量可以承担各种各样的特性，如果我们想要限制它可以或不能是什么，我们需要卓越的数据和测量。宇宙的未来是可以知道的，但只有相信我们的观测才能支持。除非它们能足够好来排除这些替代的可能性，我们不能排除暗能量最终会导致毁灭的可能性。

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