经典诗歌

    暗能量真的存在吗?


    时间:2022-07-23  来源:  作者:[db:作者]  浏览次数:


    暗能量真的存在吗?
       科学界最伟大的革命,往往由现实和预期之间最细微的差异所引发。16世纪,哥白尼提出地球并非宇宙中心,他的立论基础在当时许多人看来,不过是天体运动中一些深奥难懂的细枝末节。今天,一场新的科学革命,已经随着11年前宇宙加速膨胀的发现而拉开序幕。超新星亮度上的细微差异,曾让天文学家得出结论:构成宇宙的所有物质成分当中,有70%是完全未知的。也就是说,空间中充斥着一种不同于其他任何物质的成分——它们始终推动着宇宙膨胀,而不像其他物质那样阻碍膨胀。这种成分被称为暗能量(dark energy)。
      
      
      10多年过去了,一些宇宙学家依然对暗能量的存在感到不可思议,甚至开始重新思考那些最初令他们推导出暗能量的基本假设。其中一个假设正是早期科学革命的产物——哥白尼原理(Copernican principle)。这个原理认为,地球所处的位置既不是宇宙中心,也没有任何特殊之处。如果我们抛弃这一基本原理,一套能够解释这些观测现象而又不需要借助暗能量的宇宙图景,就会令人惊讶地显现出来。
      
      大多数人都非常熟悉这样一个观念:我们这颗行星不过是一粒宇宙微尘,在一个毫不起眼的星系边缘附近,围绕着一颗普普通通的恒星旋转。在我们这个宇宙当中,类似的星系至少有数十亿,分布之广甚至超过我们的宇宙视界(cosmic horizon,即我们能够观测到的最远边界)——这使我们相信,自己在宇宙中的位置没有任何独一无二之处。不过,有什么证据能够支持如此谦卑的宇宙观?我们又如何才能确定自己是否处在一个特殊位置上呢?天文学家通常会跳过这些问题,假定我们的微不足道是显而易见的,不需要进一步探讨。我们或许真的处在宇宙中一个特殊的位置——考虑这样一种可能性在许多人看来似乎是不可思议的。然而,这正是世界各地一些物理学家小组最近正在认真思考的观点。
      
      具有讽刺意味的是,假设自己在宇宙中无足轻重,恰恰给宇宙学家提供了强大的解释能力。根据哥白尼原理归纳而成的宇宙学原理(cosmological principle)声称:任何时刻,从空间中的任意一点朝任意方向看去,宇宙的模样都是一样的。这个假设让我们可以把自己在宇宙一隅看到的东西外推到整个宇宙。宇宙学家已经付出了巨大的努力,以宇宙学原理为基础,构建起了代表科学最高水准的宇宙学模型。结合现代科学对空间、时间和物质的理解,宇宙学原理暗示:空间正在膨胀,宇宙正在变冷,其中充斥着来自炽热宇宙开端的遗迹——所有这些预言都被天文观测一一证实。
      
      比如说,天文学家发现,遥远星系发的光似乎比邻近星系发的光更红一些。这种被称为红移(redshift)的现象就能够用空间膨胀来巧妙解释,因为光波也会随空间的膨胀而被相应地拉长。微波探测器还发现了宇宙极早期发出的辐射——宇宙微波背景(cosmic microwave background)。这种大爆炸原始火球的遗迹,像一层帷幕包裹在空间各个方向,平滑得几乎完美无瑕。公平地讲,能成功解释这些现象,我们自视谦卑的态度实在功不可没——假设自己在宇宙中的位置越不重要,我们就越能够“全面”地探讨宇宙。
      
      黑暗降临
      既然如此,为什么我们不能安于现状?如果宇宙学原理真的如此成功,为什么还要去质疑它?问题就在于,天文观测有了一些非常奇怪的结果。过去十年来,天文学家发现,对于红移程度确定的遥远超新星来说,观测到的亮度总是暗于预期。超新星的红移标明了自它爆炸以来空间膨胀的幅度。测出遥远超新星发光的红移程度,宇宙学家就能推断,这颗超新星爆炸时宇宙的尺寸比今天小多少。超新星红移程度越高,它爆炸时宇宙的尺寸就越小,因此从那时起到现在,宇宙膨胀的幅度也就越大。
      
      超新星的观测亮度给我们提供了一种方法,能够测量它到我们的距离,从而揭示这颗超新星爆炸距今有多久。如果一颗超新星的红移程度已经确定,而它的亮度看起来又低于预期,这颗超新星的距离就一定比天文学家认为的更远。它发的光需要更长的时间才能传到我们这里,这意味着宇宙从当时的大小膨胀到现在的大小,一定花了更久的时间。因此,宇宙过去的膨胀速度一定比科学家以前预期的更缓慢。事实上,遥远的超新星看上去非常暗,以至于宇宙必须加速膨胀才能赶上它目前的膨胀速度。
      
      这种加速膨胀触发了一场宇宙学革命:宇宙中的物质本该吸引时空结构,使膨胀速度逐渐放缓,但超新星数据暗示,情况恰恰相反。如果宇宙学家接受宇宙学原理,并且假设加速膨胀出现在宇宙各处,我们就能得出这样一个结论:宇宙中必定充斥着一种能够产生排斥力的奇异能量——暗能量。
      
     

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