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暗能量是一種不可見的、能推動宇宙運動的能量,宇宙中所有的恆星和行星的運動皆是由暗能量與萬有引力來推動的。之所以暗能量具有如此大的力量,是因為它在宇宙的結構中佔68.3%,占絕對統治地位。暗能量是宇宙學研究的一個里程碑性的重大成果。

1 暗能量 -概述

暗能量暗能量包圍之宇宙圖
宇宙學中,暗能量是某些人的猜想,指一種充溢空間的、具有負壓強的能量。按照相對論,這種負壓強在長距離類似於一種反引力。這個猜想是解釋宇宙加速膨脹和宇宙中失落物質等問題的一個最流行的方案。當天文學家埃德溫·哈勃發現宇宙中的其它星系似乎都在向著距離人們生活的銀河系越來越遠的方向移動。而且它們移動的越遠,運行的速度就越快。但是,天體物理學家此前曾經指出,地心引力會使得宇宙的膨脹速度逐漸減緩。之後在1998年,兩個研究小組通過觀察Ia型超新星—種罕見的恆星爆炸的現象,能夠釋放出數量巨大的,持久的光——顛覆了天體物理學家提出的理論。

通過仔細測量來自這些活動的光是怎樣向著可見光譜中紅色的一端變化的——類似於當火車汽笛聲離你越來越遠時,聲調也會越來越低的「多普勒效應」。「真空」(有科學家認為「真空」不空)空間本身似乎也在作為一種能夠將物質分離開來的力量起作用。

暗能量主要有兩種模型:宇宙學常數(即一種均勻充滿空間的常能量密度)和quintessence(即一個能量密度隨時空變化的動力學場)。區分這兩種可能需要對宇宙膨脹的高精度測量和對膨脹速度隨時間變化更深入的理解。因為宇宙膨脹速度由宇宙學物態方程來描寫,所以測量暗物質的物態方程是當今觀測宇宙學的最主要問題之一。

2 暗能量 -起源

暗能量暗物質中的暗能量

關於暗能量概念的起源,還得追溯到科學巨匠愛因斯坦他在1915年的相對論中提出一組引力方程式,方程式的結果都預示著宇宙是在做永恆的運動,這個結果與愛因斯坦的宇宙是靜止的觀點相違背,為了使這個結果能預示宇宙是呈靜止狀態愛因斯坦又給方程式引入了一個項,這個項稱之為的「宇宙常數」。

1997年12月,作為「大紅移超新星搜索小組」的成員的哈佛大學天文學家羅伯特·基爾希納根據超新星的變化顯示,宇宙膨脹速度非但沒有在自身重力下變慢反而在一種看不見的、無人能解釋的、神秘力量的控制、推動下變快,人們只是猜測:所處的這個宇宙可能處於一種人類還不了解、還未認識到的繼目前物質的固態、液態、氣態、「場態」之後另一種物質狀態的物質控制、作用之下,這種物質不同於普通物質的一切屬性及其存在和作用機制,這種「物質」因其絕對不同於人們所熟知的普通物質態,故爾科學家為了區分它們暫且將它稱之為「暗物質」、將其具備的作用稱之為「暗能量」,「暗物質」就成為當今天文學界、宇宙學界和物理學界等等科學界中最大的謎團之一。

3 暗能量 -研究

暗能量暗能量

人們經過哈勃空間望遠鏡觀測發現,事實上宇宙是在不斷膨脹著的並且這一觀測結果完全與引入「宇宙常數」之前的引力方程的計算結果相符合,愛因斯坦得知「實際上的宇宙是在膨脹著的」這個消息后非常後悔,因此他認為:「引入宇宙常數是我這一生所犯的最大錯誤!」現在看來,他的結論下得過早。此後那個「宇宙常數」便被人們所遺忘,後來的一次天文探測宇宙可能在加速膨脹,這就預示著宇宙中存在著某種「巨大的東西」,此後這個「宇宙常數」被賦予「暗能量」的含義。

當科學家們一再通過各種的觀測和計算證實,暗能量在宇宙中的確約佔到73%暗物質約佔到23%普通物質僅佔到4%,這可是一個驚人的數字和消息,這將預示著人們看到的宇宙、認識到的宇宙只佔整個宇宙的4%的比例,而佔96%(57年諾貝爾獎得主李政道先生甚至還認為是99%以上)的東西竟然是不為我們所知道的。關於暗物質和暗能量的客觀存在性1957年諾貝爾獎得主李政道先生在他所著的《物理學的挑戰》中已經詳細而全面的論證了。

在新世紀之初美國國家研究委員會發布一份題為《建立夸克與宇宙的聯繫:新世紀11大科學問題》的研究報告,科學家們在報告中認為,暗物質和暗能量應該是未來幾十年天文學研究的重中之重,「暗物質」的本質問題和「暗能量」的性質問題在報告所列出的11個大問題中分列為第一、第二位。

美國航天局在軌道中運行的威爾金森微波儀探測衛星收集到的材料也證明超新星在發生同樣的變化。這些變化的含義的確令科學家忐忑不安,因為這將預示著愛因斯坦、霍金等理論家可能都錯了,影響並決定整個宇宙的力量不是引力和重力等已知作用力,而是以「宇宙常量」形式存在的「暗能量」和「暗物質」。

綜上所述可以看出,所有矛盾的焦點都集中在真空是否具備力的屬性這個問題上,如果真空一旦被證明具備力的屬性,那麼「真空力」就成為獨立於萬有引力、電磁力、強力和弱力之後在自然界中普遍存在著的第五種自然作用力即「第五種力」;那麼真空就是物理學史上已經被拋棄的「以太」;而「以太」其實就是真空的某一種效應;那麼真空也就是那個占整個宇宙96%以上的份額並控制著整個宇宙的神秘能量—「暗能量」,這一切的一切就因為真空有力而變為現實、變為可知的。故爾真空是否具備力的屬性也就成為本文的核心中的焦點。

4 暗能量 -基本特徵

暗能量暗能量

宇宙暗能量其基本特徵是具有負壓,在宇宙空間中幾乎均勻分佈或完全不結團。在WMAP數據顯示,暗能量在宇宙中佔總物質的73%。值得注意的是,對於通常的能量(輻射)、重子和冷暗物質,壓強都是非負的,所以必定存在著一種未知的負壓物質主導今天的宇宙。

宇宙的運動都是旋渦型的,所以暗能量總是以一種旋渦運動的形式出現。所以,在暗能量的旋轉範圍內能形成一種旋渦場,我們稱之為暗能量旋渦場,簡稱為旋渦場。用En來表示太陽系的暗能量,用Ep來表示物質繞太陽系中心運動的總動能。當En=Ep時,太陽系旋渦場處於平衡狀態,它既不會膨脹也不會收縮。但當En衰退時,太陽系旋渦場就會收縮,太陽系中所有的行星就會向太陽靠近。

5 暗能量 -觀測結果

「暗能量」相比較暗物質更是奇特的有過之而無不及,因為它只有物質的作用效應而不具備物質的基本特徵,所以都稱不上物質故爾將其稱之為「暗能量」,「暗能量」雖然也不被人們所感覺也不被目前各種儀器所觀測,但是人們憑藉理性思維可以預測並感知到它的確存在。由於微波背景輻射的細緻觀測(WMAP的精密數據,SupernovaeIa的數據),呈現以下一些驚人的觀測結果和數據:

a、宇宙年齡是137±2億年

b、哈勃常數是0.71±公里/秒/Mpc

c、宇宙呈現以下結構,宇宙總質量(100%)≌重子+輕子(4.4%)+熱暗物質(≤2%)+冷暗物質(≈20%)+暗能量(73%),而總密度Ω0=1.02±0.02,亦即恰好差不多等同於平直空間所要求的臨界密度。(這個公式的意思是,在整個宇宙中我們目前所看到的星系只佔整個宇宙的約4%左右,其餘約96%的物質都是我們看不見、不了解的東西。)

d、「暗能量」將呈現一些前所未有的一些全新的性質:物質的狀態方程由P=Wρn所表示,(其中P是壓力,ρ是密度,W是某一常數,n是某一數值),普通物質W≥0,P≥0,ρ≥0,這就意味著物質所產生的壓力表現為正數、正值。

6 暗能量 -發現過程

暗能量暗能量

按照宇宙大爆炸理論,在大爆炸發生之後,隨著時間的推移,宇宙的膨脹速度將因為物質之間的引力作用而逐漸減慢,就像緩慢踩了剎車的汽車一樣。也就是說,距離地球相對遙遠的星系,其膨脹速度應該比那些近的星系慢一些。

但1998年,美國加州大學伯克利分校(UCBerkeley)物理學教授、勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)高級科學家索爾皮爾姆特(SaulPerlmutter),以及澳大利亞國立大學布賴恩施密特(BrianSchmidt)分別領導的兩個小組,通過觀測發現,那些遙遠的星系正在以越來越快的速度遠離我們。 換句話說,宇宙是在加速膨脹,彷彿一輛不斷踩油門的汽車,而不是像此前科學家所預測的那樣處於減速膨脹狀態。

這樣一個完全出乎意料的觀測結果,從根本上動搖了對宇宙的傳統理解。是什麼樣的力量在促使所有的星系或者其他物質加速遠離,科學家們將這種與引力相反的斥力來源,稱為「暗能量」。至今能夠給出的,只是一個十分粗略的宇宙結構「金字塔圖景」:所熟悉的世界,即由普通的原子構成的一草一木、山河星月,僅占整個宇宙的4%,相當於金字塔頂的那一塊。

下面的22%,則為暗物質。這種物質由仍然未知的粒子構成,它們不參與電磁作用,無法用肉眼看到。但其和普通物質一樣,參與引力作用,因此仍可能探測到。作為塔基的74%,則由最為神秘的暗能量構成。

7 暗能量 -爭議

通過對遙遠星系團發出的X射線進行觀測和分析,歐洲航天局科學家最近得出了與暗能量理論不符的結果。不過專家指出,新結果是否意味著人們一直探討的宇宙暗能量「或許並不存在」,仍需更多的觀測研究來證明。

愛因斯坦的廣義相對論做出過暗能量的假設。據推測,不可見的暗能量可能佔據了宇宙質量的大部分,能夠產生與引力相反的排斥力,這也許可以解釋為什麼宇宙會出現加速膨脹現象。

關於暗能量理論現在仍有爭論。一些科學家認為,要驗證暗能量是否存在,辦法之一是比較各星系團中熾熱氣體的比例。星系團由成百上千個星系組合而成,其半徑達數百萬光年。星系團的特點之一是其中有大量熾熱氣體,溫度在1000萬到1億攝氏度之間。

歐洲航天局的XMM牛頓天文望遠鏡最近捕捉到了古老的遙遠星系團發出的X射線。科學家對此進行分析后得出了這些古老星系團中熾熱氣體所佔的比例。他們將這些數據與距地球最近也就是最年輕的星系團中熾熱氣體所佔比例進行了比較,結果發現二者沒有差別。科學家認為,只有假設宇宙中沒有暗能量才能解釋這一現象。

8 暗能量 -確認存在

暗能量美宇航局確認暗能量存在,宇宙仍在無限膨脹。

2010年8月,美國宇航局的科學家宣布,在暗能量的作用下,宇宙的確是無限膨脹的,同時宇航局也對外表示,此後將不在宇宙是否存在暗能量這一問題上進行研究。

美國宇航局的科學家通過哈勃望遠鏡,觀察了在130億光年外的Abell 1689星系團。這個星系團被認為是人類觀測宇宙的「放大鏡」,Abell 1689其重力非常強大,像一個巨型變焦透鏡一樣可以使通過其附近的光彎曲,放大我們的觀測物體。

通過Abell 1689星系團,科學家們發現在暗能量的作用下,那些遙遠的星系不斷的發生彎曲,或者呈現弧形的圖像,這意味著在暗能量的作用下,宇宙是處於一種不斷膨脹的狀態。而這也佐證了宇宙的確存在暗能量。

2012年9月14日消息,據《每日郵報》報道,一個英國-德國科研組的天文學家稱,暗能量真實存在。英國朴茨茅斯大學和德國慕尼黑大學的科學家經過一項為期2年的研究得出結論,暗能量存在的可能性高達99.996%。這與日內瓦歐洲粒子物理研究所的科學家今年發現的希格斯玻色子(或者看起來很像希格斯玻色子的一種亞原子粒子)的確定性一樣。

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