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一种看不见的存在——暗能量

未知的多于已知的。我们知道有多少暗能量,因为我们知道它是怎么在影响宇宙的膨胀。除此之外,它完全是一个谜,但是却是一个重要的谜。事实证明,大约68%的宇宙是暗能量,暗物质约占27%,其余的(地球上的一切,我们所有仪器观察到的一切,所有的正常的物质)加起来不到宇宙的5%。想想看,它可能根本不应被称为“正常”物质,因为它只是宇宙中的一小部分。

该图显示了自150亿年前宇宙诞生以来的扩张速度的变化。曲线越浅,宇宙的扩张速度越快。大约75亿年前,宇宙中的物质开始以更快的速度飞散,曲线明显变化。天文学家认为,扩张速度变快是由于神秘的未知力量将星系拉开。

Credit: NASA/STSci/Ann Feild

对于暗能量的一种解释是:暗能量是空间的一种属性。爱因斯坦是第一个意识到空间并非空无一物的人。空间具有很多惊人的特性,其中许多刚刚开始被理解。爱因斯坦发现的宇宙的第一个特性是有可能存在更多的空间。然后,爱因斯坦的引力理论的一个说法,即包含宇宙常数的说法,进行了第二个预测:“空间”可以拥有自己的能量。

因为这种能量本身就是空间的属性,所以它不会随着空间的扩张而被稀释。随着更多的空间出现,更多的这种空间能量将会出现。结果是,这种形式的能量导致宇宙越来越快地扩张。不幸的是,没人理解为什么宇宙常数应该存在,更不用说为什么它具有正确的值来引起观测到的宇宙的加速度膨胀。

关于空间如何获取能量的另一种解释来自物质的量子理论。在这个理论中,“空白空间”实际上充满了不断形成然后消失的临时(“虚拟”)粒子。但是,当物理学家试图计算出这将给“空白空间”带来多少能量时,答案出错了-而且错了很多。这个数字太大了10120倍。那是一个1,后面有120个零。很难得到一个如此糟糕的答案。所以这个谜团还没有解开。

今期与早期的宇宙质能分布饼图

对于暗能量的另一种解释是,暗能量是一种新的动态能量流体或场,它填补了所有空间,但是对宇宙膨胀的影响与物质和正常能量相反。在希腊哲学家的第五个元素,一些理论家将这个命名为“quintessence(精质)”。但是,即使精质是答案,我们仍然不知道它是什么样的,如何相互作用的,或者它为什么存在。所以这个谜团仍在继续。

该图显示了合并星系团Abell 520核心中暗物质,星系和热气的分布。结果可能对暗物质的基本理论提出挑战。

最后的一种可能性是爱因斯坦的引力理论不正确。这不仅会影响宇宙的膨胀,还会影响星系和星系团中正常物质的运动方式。这个事实将提供一种方法来决定暗能量问题的解决方案是否是新的引力理论:我们可以观察星系是如何聚集在一起。

但是如果事实证明需要一种新的引力理论,它会是什么样的理论呢?它如何正确描述太阳系中物体的运动,正如从爱因斯坦的理论所知道的一样,并且仍然给我们提供我们所需要的对宇宙不同的正确预测?有很多候选理论,但是没有一个让人信服。所以谜团还在继续。

暗能量究竟是空间特性,新的动态流体还是新的引力理论?解决这个问题我们需要更多更好的数据。


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