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它可能真的存在

2017-07-19

■小溪/文

■L老师、郑伟/审校


暗能量这个词挺神秘,它的由来是什么呢?


科学家们发现宇宙中存在着某种能量,好像是隐藏在黑暗中的幽灵,总是无法真正捕捉到它,这种能量被科学家们称之为暗能量。


究竟是怎么知道有暗能量呢?那可要追溯到爱因斯坦那个时代了,正是这个伟大的爱因斯坦从理论上提出了猜想。科学家们锲而不舍地研究着,先是发现“宇宙正在膨胀”,后来发现“宇宙曾减速膨胀”,再后来又发现“宇宙正加速膨胀”……,相关的重要科学成果显示了暗能量的可能存在。


有趣的是:科学家们研究了多年后居然发现:人类已知的物质仅占宇宙的4%,而人类还不甚了解的暗能量却占宇宙的73%。暗能量在推动着宇宙的膨胀,并且,宇宙还在加速膨胀。


决定着宇宙何去何从命运的暗能量不得不令人关注,它真的存在么?



1

爱因斯坦的“宇宙常数”


那是100多年前,1915年11月,犹太裔科学家爱因斯坦(Albert Einstein,1879-1955)提出了一个描述物质间引力相互作用的理论——广义相对论,并给出了相关引力场方程的完整形式,这个方程将时间、空间和物质、运动这四个自然界最基本的物理量联系了起来。

           

 

爱因斯坦(图片来自网络)

 

爱因斯坦的引力场方程(图片来自网络)


1917年,爱因斯坦将他的广义相对论公式应用到整个宇宙,他想看看是否能由此获得对宇宙本质的新认识。世界上的物理学家、数学家随即开始解其中的引力方程,方程可以得出两种解:


第一种解是:如果宇宙仅存在引力宇宙不可能一直静止。


第二种解是:宇宙在最初爆炸的那一瞬间获得了一个初速度而向外膨胀,但由于引力作用往回拉,宇宙肯定越胀越慢,所以宇宙不是膨胀就是收缩,不可能静止。


两种解的结论在某一点上是相同的——宇宙不可能静止。


爱因斯坦从哲学的思路来分析,觉得这两种解都不合适。按照他的想法,宇宙应该是静止的,不能永不停息的运动。为建立一个静态的宇宙模型,他又向广义相对论的引力方程引入了一项“宇宙常数”(cosmologicalconstant)。这个宇宙常数起排斥力的作用。有了这个常数,引力方程就同时具备了引力和斥力,正好能够达到平衡,这就可以让宇宙“静止”下来了。


引入宇宙学常数后的引力场方程,红圈之处就是宇宙常数(图片来自网络)



2

宇宙正在膨胀


奥地利的多普勒(Christian Johann Doppler,1803-1853)1842年就发现了一种奇特的效应:当发声物体相对于收听者运动时,它发出的声音频率虽然始终如一,可接收者接收到的声音频率却前后不一。这个现象不是只有声音才有,包括光源在内的任何频率源,只要有相对观测者的运动都有这种效应,被称为“多普勒效应”。


 

奥地利科学家多普勒(图片来自网络)

 

光是一种电磁波,当光源远离观测者时,接受到的光波频率比其固有频率低,即向长波的红端偏移,这种现象被称为“红移”;当光源接近观测者时,接受频率增高,相当于向短波的蓝端偏移,称为“蓝移”。红移是测定天体之间距离的一种常规方法,根据红移的量可以计算出星体远离我们的速度。


星系光谱线的红移和蓝移现象示意图(图片来自中科院国家授时中心网)

 

基于多普勒效应,英国的哈金斯(Sir William Huggins,1824-1910)1868年仔细检查了天狼星的光谱,他观测到一个显著的红移,这可是第一颗被测量出运行速率的恒星。哈金斯推算出天狼星以大约每秒40公里的速度远离太阳系。这个数值虽比后来测出来的每秒7.6公里速度数值大多了,不过那次测量可以说是天体径向速度研究的起端。


英国科学家哈金斯(图片来自网络)

 

1929年,美国的哈勃(Edwin PowellHubble,1889-1953)分析了与银河系近邻的24个星系的观测数据后,竟然发现大部分星系的光谱都存在红移现象,可以推算出它们都以每秒几百公里的速度在逐渐远离我们。哈勃还发现了一个规律(称为哈勃定律):一个星系的远离速度同这个星系离我们的距离成正比,离我们越远的星系向外运动的速度越快,这是宇宙正在膨胀的表现。


美国科学家哈勃(图片来自网络)

 

这是当时震惊科学界的一个重大发现。人们一直很愿意相信宇宙是静态的,或者说很希望宇宙的膨胀是在减速进行,这样宇宙的未来还有可能是静态的,但这个信念被哈勃的发现彻底粉碎了。


哈勃的这一观测结果完全与爱因斯坦引入“宇宙常数”之前的引力方程的计算结果相契合,因此很快得到世界上绝大多数科学家的认可。爱因斯坦本想引入“宇宙常数”让宇宙“静止”下来,但实际的宇宙是在膨胀着,以致爱因斯坦自己也认为:“引入宇宙常数是我这一生所犯的最大错误!”


但事实上爱因斯坦提出的“宇宙常数”并未完全被科学家们抛弃,还有部分科学家此后在将观测结果与理论计算进行对比的时候,常常会把此常数捎带上。如果计算结果显示“宇宙常数”等于0,就证明该数确实不能用;反之,就证明爱因斯坦引入一个常数的思路是对的。


哈勃发现的定律后来不断得到天文观测的证实。随着太空望远镜的直径越做越大,人们可以观测越来越远的星系,就能发现越来越大的红移。



3

宇宙曾减速膨胀


以著名天文学家哈勃名字命的“哈勃空间望远镜”HST(Hubble Space Telescope)1990年4月24日在美国肯尼迪航天中心由“发现者”号航天飞机成功发射上天。


HST长13.3米,直径4.3米(它的反射望远镜直径为2.4米),重11.6吨,造价近30亿美元。它以2.8万公里的时速沿太空轨道运行,由于它位于地球大气层之上,观测清晰度是地面天文望远镜的10倍以上,没有大气湍流的干扰,HST所获图像和光谱具有极高的稳定性和可重复性,可以成功地弥补地面对空间观测的不足。


哈勃空间望远镜(图片来自网络)

 

HST于1997年拍摄到一颗超新星,编号为“1997 ff”。


所谓“超新星”就是爆炸中的恒星,它发出的亮度相当于几十亿颗恒星亮度的总和。通过超新星亮度的测定就可以判断宇宙膨胀的速率。


美国马里兰州太空望远镜科学研究所(STScI)和劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)的科学家们对“1997 ff”超新星的亮度进行了研究,结果发现它爆发于110亿年前,是当时所发现的超新星中距地球最遥远的。


经过大量的计算和分析,科学家们确认“1997 ff”的亮度是预计正常亮度的两倍,而且比距离更近、更年轻的超新星爆炸发出的光还要亮。只有在宇宙减速膨胀中诞生的星体,其发出的光到达地球时,该星体和地球之间的距离由于膨胀减速的原因要比预计的近,因而地球上的观测者会发现其光要比预计中的更亮。据此可判定,超新星“1997 ff”爆发于宇宙的减速膨胀阶段

 

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