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漫谈暗能量与反物质(上)

2020-01-03 00:21阅读:
文 | 陈思进
之前用了两篇谈了暗物质,接下来将再用二、三篇的篇幅来谈一下与暗物质相关的暗能量与反物质。
1929年,爱德文·哈勃(Edwin Hubble,美国天文学家,星系天文学之父)发现距离我们远处的星系,都在迅速地离我们而去。哈勃认为,这说明宇宙的空间正在扩大延伸。不过,当时的科学家相信,这样的扩张会渐渐地慢下来,就像我们往空中抛出一个物体,最终会在万有引力的作用下返回地面一样。因此,星系之间的引力也不例外,扩张最终应该会慢下来的,然后以某种形式达到平衡。
这听上去很符合常识吧,不过,且慢。
上世纪的1994年,有两个科学团队(“超新星宇宙学计划”和“高红移超新星搜索队”)开始对宇宙的扩张速度进行测量研究。他们原本的计划很简单,从团队的名字便可知晓,是想利用超新星测距的可行性,顺带验证一下宇宙减速膨胀的猜想,即想观测一下宇宙的扩张速度是否真的减慢下来。
到了1998年,两个团队的研究结果相继出来了。使用超新星来测距确实可行,但是,出现了一个新问题:在正常情况下,实际测量的误差会均匀分布在理论距离附近,可能偏大,也可能偏小。然而,这两个团队观察结果却表明,几乎全部观测距离都要比理论距离要大,而且呈现出距离越远,差距越大的现象。
漫谈暗能量与反物质(上)
这就首先说明了肯定不是测量误差导致
的,一定是理论模型出现了问题:超新星的实际观测的距离,要比预计的位置更遥远,而且实际观测的亮度也比理论的预测要暗一些。也就是说,戏剧性的一幕来了,他们都发现宇宙的扩张速度非但没有减慢,反而变得更快了!那些可观测的星系,正以光速一般(甚至更快)地速度远离我们。这就好似我们往空中抛出的物体,从离开你手中的那一刻开始,越来越快地远离,而再也回不到地面了……
后来,科学家经过反复计算,算出了我们的宇宙在大概60亿年前左右,从减速膨胀变为加速膨胀,这个结果和两个团队得出的数据相符合。于是,2011年,超新星宇宙学计划团队负责人索尔·珀尔马特(Saul Perlmutter)荣获诺贝尔物理学奖的一半奖项,另一半奖项则由高红移超新星搜索队团队的两位负责人布莱恩·施密特(Brian Schmidt)与亚当·里斯(Adam Riess)共同获得。
科学家不禁思索,这是为什么呢?怎么会发生如此奇怪的反常识现象,是什么神秘的力量在推动着它们?而且在60亿年前就开始起到主导作用,导致宇宙从减速膨胀变成了加速膨胀,推送着那些星系以越来越快的速度远离我们呢?
1998年,美国理论宇宙学家迈克尔·特纳(Michael Turner)根据暗物质的原理,突发灵感,给这种神秘的力量起了个名字叫Dark energy(暗能量)。
其实,说不定答案很可能早就在爱因斯坦多年前的一个想法之中了:我们都会习惯性的认为万有引力只会把所有物质拉在一起,但在广义相对论中,万有引力也可以将物质推开。
那么这种力是如何产生的呢?
根据爱因斯坦的计算,如果空间被一种无形的能量均匀占据,就像是一团不可见的迷雾,那这团迷雾产生的力就是相斥的。至于这团迷雾均匀覆盖在空间时,为什么会产生这种相斥的力,就暂时先把它认为是两者之间必然会产生的一种现象。
而这团迷雾与空间所产生的相斥的力,刚好可以解释为什么所有的星系都在快速远离我们。这种看不见、摸不着的力,就是被科学家称之为的“暗能量”,它导致了每个星系之间产生相互推力,把相互之间的星系越推越远,以致我们所看到的宇宙的扩张速度正在不断加速。
而当科学家试图计算空间中需要多少暗能量,才可以导致宇宙的加速扩张时,他们得出的却是一个难以置信、小得离奇的一串诡异的数值。不过,可以确定的是,因为已经进行了无数次的验算,科学家并没有算错。
那又如何来解释这串奇怪的数字呢?科学家不由得想到了那个迄今既不能证实、又无法证伪的弦理论。我在之前的几篇文章中也介绍过了,弦理论因为其额外空间维度的候选形态多达数万亿个,以致遇到了极大的障碍,一时无法继续深入研究下去。不过,有些科学家并没有放弃,他们想到这个现象是否可以与多元宇宙论结合起来(多元宇宙或平行宇宙,我在之前的专栏文章中也已经介绍过了)。
漫谈暗能量与反物质(上)
根据目前的观测,暗能量占据了宇宙总物能的68.3%左右,暗物质占据了26.8%,而其它所有一切看得见、摸得着的普通物质仅占剩余的4.9%左右。也就是说,宇宙的绝大部分对于我们而言,都还是未知的。对于暗能量,目前科学家仅得出二点结论:
一、暗能量应该是均匀分布的,它们在大尺度上不结团。这点不同于普通的物质,如果普通物质不结团的话,那就没有日月星辰了。因此,科学家怀疑这和真空有关,因为人类理解只有真空是均匀分布的;
二、普通物质会有引力,而暗能量提供(排)斥力(或称反引力,负引力),更准确地来说它们具有“负压强”,这和普通物质就更不一样了。按照相对论,这种负压强在长距离而言,类似一种反引力。显然我们之前从来没有见过,更想象不到负压强。但是,暗能量必须具备这个特点,才能提供和引力相抗衡的斥力。
那么,暗能量究竟是什么呢?
科学家渐渐地提出了各种理论模型……
篇幅有限,下文再接着谈吧。

2019年12月12日写于多伦多

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