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宇宙能量是暗能量嗎?

說實話,目前我們對暗能量還知之甚少。

我們都知道宇宙是由普通物質、暗物質和暗能量組成的。其中普通物質我們最熟悉,就是參與全部4種相互作用的,由質子、中子和電子等構成的物質。暗物質別的和普通物質差不多,唯壹就是不參與電磁相互作用,也就是說我們傳統的電磁波觀測天文學對它無能為力,不過隨著引力波天文臺的發展,天文觀測進入多信使時代,我們還是可以通過引力相互作用來觀測暗物質存在的證據。不僅如此,人們還能大致推斷暗物質的可能候選者,其中最受關註的就是WIMP(弱相互作用大質量粒子)。

但是暗能量就非常特殊了,人們至今還不能提出暗能量可能的構成,甚至也沒有任何直接證據。事實上,提出暗能量最初也是唯壹的目的就是解釋宇宙加速膨脹。

自從哈勃發現宇宙膨脹、伽莫夫提出宇宙大爆炸理論以來,人們普遍認為宇宙膨脹應該是減速的。尤其是林德等人提出暴漲理論,指出大爆炸的動力來自壹種特殊的物質“暴漲子(其實是個標量場)”之後,人們就想,在暴漲結束的時候,暴漲子已經不再處於真空態,而是以粒子的形式大量出現,最後衰變成普通物質如誇克等。那麽後續的膨脹應該就是“慣性作用”,由於宇宙中的物質(不論是普通物質還是暗物質)之間都存在引力,那麽宇宙膨脹自然而然就是減速的。

但是20世紀90年代,兩個探索用Ia型超新星測距的小組同時獨立地發現,超新星的光度距離(也就是觀測距離)要普遍地遠於根據紅移量和現有的大爆炸宇宙模型計算的距離要遠,也就是說,當時的大爆炸模型與觀測不符合,需要修改。值得註意的是,觀測距離和理論預估距離的差距隨著距離增大而變大,說明宇宙實際上是在加速膨脹的。

現在最好的估計是,暴漲結束以後,宇宙確實在減速膨脹,但是只持續了70多億年。大概在距今60億年前,宇宙就從減速膨脹轉變為了加速膨脹。

為了解釋這個困難,人們假設宇宙中存在壹種具有斥力的物質或者能量(物質和能量其實本質相同),而且由於宇宙膨脹的均勻性,這種物質(或能量)應該是均勻分布,不結團的。這種與普通物質和暗物質迥然不同的特性暗示暗能量(這個名字是物理學家特納仿照暗能量起的)可能和真空或者說真空能密切相關。

從某種意義上說,暗能量和暴漲子還真的挺像,像是弱化版的暴漲子。人們現在能知道的,就是宇宙有三個主宰時期,分別是輻射統治期、物質統治期和暗能量統治期。

這和它們的性質有關。光子具有正壓強,隨著時空膨脹,它會做正功,從而隨著時空膨脹,它的密度與宇宙半徑R的四次方分之壹成正比。物質的壓強為0,在膨脹中不做功,它的密度與宇宙膨脹的體積成反比,也就是與R的三次方分之壹成正比。而暗能量具有負壓強,時空膨脹反而會對它做功,隨著時空膨脹暗能量的密度保持不變(這只是主流的宇宙學常數模型的結論,還有壹些變化的,如精質模型、精靈模型、快子模型等等,但不是主流)。

所以呢,隨著宇宙膨脹,光也就是輻射的密度下降最快,物質(包括普通物質和暗物質)次之,而暗能量不變。這樣在宇宙初期,光子最多,是輻射統治期。隨後是物質統治期、直到大概60億年前,隨著宇宙膨脹,物質的密度越來越小,終於比暗能量的密度還要小了暗能量的斥力打敗了物質的引力,宇宙就開始加速膨脹了。

妳可能會好奇,隨著宇宙膨脹,暗能量的密度不變,體積增大,暗能量是不是越來越多了。是的,這也遵守能量守恒,暗能量的增加是通過時空對它做功形成的,所以增加的暗能量來自時空自身的能量。未來,我們的宇宙將完全為暗能量所主宰,大撕裂可能是我們宇宙最終的命運。