宇宙常数是什么?
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2021-02-23 00:35
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火星译客

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艺术家对太空中超新星爆炸的描绘。上世纪90年代,研究人员利用超新星来确定暗能量的存在,将科学带回爱因斯坦曾经废弃的宇宙学常数。(图片来源:Shutterstock)

宇宙学常数可能是一种神秘的物质或能量形式,与引力相反,许多物理学家认为它等同于暗能量。没有人真正知道宇宙学常数到底是什么,但它是宇宙学方程中所必需的,以便使理论与我们对宇宙的观察相一致。

谁提出了宇宙常数?

著名的德美物理学家阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)在1915年提出了宇宙学常数,他称之为“宇宙常数”,作为他广义相对论中平衡某些计算的手段。当时,物理学家认为宇宙是静止的,既不膨胀也不收缩,但爱因斯坦的研究表明,引力会使宇宙做一个或另一个。因此,为了与科学共识相吻合,爱因斯坦在他的结果中加入了一个由希腊字母lambda表示的模糊因子,使宇宙保持静止。

然而十多年后,美国天文学家埃德温·哈勃注意到星系实际上正在远离我们,这表明宇宙正在膨胀。爱因斯坦称lambda是他“最大的错误”

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几十年来,哈勃的观测否定了宇宙常数的必要性,但当天文学家在20世纪90年代末研究遥远的超新星时,发现宇宙不仅在膨胀,而且在膨胀过程中加速,这种情况发生了变化。他们将解释这种现象所需的神秘反引力命名为“暗能量”

根据乔治亚州立大学的在线教程,20世纪20年代,俄罗斯物理学家亚历山大·弗里德曼(Alexander Friedmann)开发了一个方程,现在称为弗里德曼方程,它描述了宇宙从大爆炸开始的性质。

通过去除爱因斯坦的lambda并将其插入Friedmann方程,研究人员可以正确地模拟宇宙——也就是说,具有加速膨胀率。弗里德曼方程的这个版本现在形成了当代宇宙学理论的支柱,被称为∧CDM(Lambda CDM,其中CDM代表冷暗物质),并解释了所有已知的现实组成部分。

那么,这个神奇的数字是什么?

然而,没有人真正了解什么是lambda。大多数物理学家认为它可以与暗能量的概念互换,但这并不能使事情变得更清楚,因为暗能量只是一个占位符,用来描述一些未知的反重力物质。所以,我们基本上恢复到使用爱因斯坦的软糖因子。

对宇宙学常数的一种可能解释是在现代粒子物理学领域。实验已经证实,空旷的空间中弥漫着无数不断进出的虚拟粒子。这种无休止的活动创造了一种所谓的“真空能量”,或者说是一种源于空旷空间的力量,这种力量是时空结构中固有的,可以驱动宇宙的分裂。

这张图显示了宇宙在不同方向的膨胀率。这张地图在银河系坐标系中,中心朝向我们银河系的中心。黑色和紫色表示最低膨胀率的方向(哈勃常数);黄色和红色表示最高膨胀率的方向。(图片来源:波恩大学/K.Migkas等人)

但是把真空能量和宇宙常数联系起来并不简单。根据他们对超新星的观测,天文学家估计暗能量应该有一个小而稳定的值,刚好足以将宇宙中的一切物质在数十亿年内推开。

然而,当科学家试图计算虚拟粒子运动产生的能量时,他们得出的结果比超新星数据所显示的要大120个数量级。

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为了解决这个难题,一些研究人员提出宇宙常数可能根本不是常数,而是随时间变化或波动的。这个理论被称为精粹,一些项目,如暗能量调查,目前正在进行精确的观测,看看它是否有任何观测支持。

与此同时,宇宙学家将继续使用lambda。他们可能不知道它是什么,但他们知道他们需要它来让宇宙变得有意义。

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