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暗能量是什么?
人類直接認識世界是通過認知系統(tǒng)來認知的,有眼鼻耳舌身意/色身香味觸法這幾種。
還有就是間接認知,通過與能被人類認知系統(tǒng)直接認知的做用而被認知,比如無線電。
所以暗能量就是不被認知系統(tǒng)直接認知,也不與能被認知系統(tǒng)直接認知作用的。
首先感謝邀請。我們的宇宙誕生于138億年前的大爆炸。隨著科學技術(shù)的發(fā)展,我們知道了今天的宇宙,通過天文望遠鏡確定了宇宙的年齡、直徑以及宇宙的未來。但是宇宙畢竟是宇宙,以人類的智慧怎么可能會解開宇宙的秘密呢,例如今天我們所提出的暗能量。
當科學家使用望遠鏡觀測星空時,發(fā)現(xiàn)有些星系發(fā)紅有些星系發(fā)藍,這是多普勒頻移現(xiàn)象,本身多普勒頻移是用于聲音中的,但是光也具有這種特性,科學家通過這種現(xiàn)象知道了宇宙正在膨脹,但是宇宙為何膨脹,以及如何膨脹則是一個未解之謎。
既然宇宙在加速的膨脹,那么肯定得有一種力量來支持它的膨脹。如果我們回到138億年前,你會發(fā)現(xiàn)如果宇宙一直膨脹的話,肯定不會出現(xiàn)今天的世界。因為那種力量可以將原子撕裂,所以更不可能出現(xiàn)今天的世界。而之所以出現(xiàn)了今天的世界,原因在于宇宙在某個時間內(nèi),膨脹停止了,只有這樣物質(zhì)才能夠出現(xiàn)。
那么我們知道物質(zhì)都擁有著自己的質(zhì)量和重量,這就如同流動的小河流一樣,如果我們什么都不做,河流會往前流動,但是如果我們搬起一塊大石頭,你會發(fā)現(xiàn)水流受到重力的影響,變慢了。同理宇宙也是如此,宇宙中存在著萬億天體,這些天體的總量加在一起是一個恐怖的數(shù)字,但是這些重量并沒有阻擋宇宙的膨脹,這代表宇宙的膨脹被一種未知的能量所操控。這就是暗能量。
通過對宇宙的膨脹測量,我們就能得知出宇宙中的物質(zhì)占比情況,暗能量是將物質(zhì)分離的能量,而暗物質(zhì)則是將物質(zhì)凝聚的能量,而剩下的就是我們所看到的物質(zhì)了。結(jié)果表明,暗能量大于暗物質(zhì)大于物質(zhì),這代表了暗能量一直占據(jù)了上風,因此宇宙也在加速的膨脹。通過這些數(shù)據(jù)我們就能預測宇宙的未來。
暗能量的概念很早就被提出。20世紀20年代,天文學家哈勃觀察河外星系時發(fā)現(xiàn)了光譜紅移現(xiàn)象(多普勒效應),即所有星系在各個方向上都在遠離我們,而且星系越遠,遠離速度越快,直接證明宇宙空間在不斷膨脹。
然而,當時多數(shù)科學家認為,由于物質(zhì)之間存在的引力作用會妨礙空間的膨脹。相反,后來一系列的觀測數(shù)據(jù)卻顯示這種膨脹速度越來越快,證明宇宙空間一定存在著一種未知的斥力(反引力),它能夠克服且超越物質(zhì)之間的引力。
科學家推斷,使宇宙空間加速膨脹的斥力,就來自未知的“暗能量”。
觀測證據(jù)還表明,暗能量無所不在、均勻分布、具排斥性質(zhì),作用于引力空間不斷加速的結(jié)構(gòu)。之前沒有任何已知的其他物質(zhì)具有這種可使空間自身相排斥的性質(zhì)。
在廣義相對論中,不僅質(zhì)量可以產(chǎn)生引力,物質(zhì)分布所出現(xiàn)的壓強也可產(chǎn)生引力。而壓強的值可以有正有負,科學家經(jīng)數(shù)學推導得出,當壓強值小于 (-1/3)pc^2 (p為物質(zhì)密度,c為光速)時,引力表現(xiàn)為排斥力。
也就是說,宇宙空間中充滿了一種壓強為負的暗能量。因為已知普通物質(zhì)和暗物質(zhì)的壓強都是正的,所以科學家再次推斷暗能量必定存在。目前,物理學界普遍的結(jié)論是,恒星系所有可見的物質(zhì)僅占宇宙比重的4.9%,暗物質(zhì)占26.8%,而暗能量所占比重是一個大得多的68.3%。
專門研究宇宙常數(shù)或暗能量課題的哈佛教授亞力山大(Stephen H.S.Alexander )2000年發(fā)表了《弦論和宇宙學之間的接口》的論文,2000—2002年獲英國粒子物理和天文研究委員會(PPARC)資助,后來他又獲國家科學基金事業(yè)獎。他說,暗能量本身無法直接觀察到,它是已知最令人困惑的物質(zhì)形式,也是唯一作用范圍小到亞原子尺度,大到宇宙星際距離的“東西”。在原子核內(nèi)部和遙遠的恒星運動中都有它的蹤跡。
暗能量無論其形式如何,必然對宇宙時空結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,它作用在引力上以極大的速度產(chǎn)生越來越多的虛空空間——這就是宇宙空間加速膨脹的本質(zhì)。
也許,只有解決好廣義相對論與量子力學大統(tǒng)一后才能真正揭開暗能量的神秘面紗。
宇宙學家喜歡把一切都建模為所謂的"完美流體",什么是完美的流體?它是有密度和壓力的物質(zhì),沒有別的。換句話說,"完美流體"不粘,它沒有粘性,沒有內(nèi)部應力,其壓力在所有方向都是一樣的。簡而言之,就宇宙學家而言,物質(zhì)的密度和壓力能完美表現(xiàn)宇宙的特征。
不僅如此,還有一件事:無論我們使用何種測量單位,能量密度和壓力都是使用相同的物理單位測量的。壓力是按面積劃分的力。能量密度是能量除以體積。但能量是力乘以時間長度;體積是面積乘以長度。因此,力除以面積與能量(力乘時間長度)除以體積(= 面積乘以長度)相同。
因此,壓力與能量密度的比值只是一個簡單數(shù)字。它不是以米、英尺、秒、磅等來衡量的,它只是一個所謂的無量綱數(shù),通常用字母w表示。
這就是宇宙學家簡單思考問題的地方:他們關心的只是這些, 各種各樣的物質(zhì)都以這個w為特征,即壓力與能量密度的比值。例如,沒有壓力的東西只是所謂的"塵埃"。當然,這里"塵埃"與你知道的不一樣。一個恒星星系就是塵埃(或多或少),因為就宇宙學家而言,數(shù)十億顆恒星行為就像塵埃粒子,即作為壓力可以忽略不計的介質(zhì)。
那么,w 的允許值是多少呢?事實證明,任何介于-1 和 +1 之間的值都有效。是的,這意味著負壓也是可以接受的。這聽起來可能有些奇怪,但負壓基本上表現(xiàn)為需要投入做功(能量)才能使其膨脹,而不是像發(fā)動機氣缸中的熱氣一樣自行膨脹和做功。所以:塵埃幾乎包括我們所知道的所有物質(zhì),但也包括我們不知道的東西,即所謂的暗物質(zhì)。
在今天的宇宙中,壓力大于0的東西可以忽略,因為這種物質(zhì)的密度下降非常迅速;因此,即使過去有大量這類東西,它已經(jīng)被稀釋到接近虛無的狀態(tài)。這樣就留下負壓的物質(zhì),特別是帶極端負壓的物質(zhì),w = -1。這些物質(zhì)有一個非常奇特的特性:即使宇宙膨脹,它的密度仍然保持不變,因為所有使它膨脹的功(能量),最終都會產(chǎn)生更多的這些物質(zhì)。
因此,我們遵循的邏輯是這樣的:首先,我們注意到,我們宇宙中的空間似乎是歐幾里得的:即使是非常大的三角形的角度之和是180度,行話是宇宙是"空間平坦"。這就要求宇宙中所有物質(zhì)的總密度是所謂的臨界密度,但可見物質(zhì)的含量不到此臨界密度的5%。
因此,我們提出了一個簡單的問題:還需要多少物質(zhì)和什么樣的物質(zhì)才能到達臨界密度,并且還要匹配宇宙的其他觀測參數(shù)?事實證明,我們需要大約30%的"塵埃",剩下的70%必須有極端的負壓,w = -1。
缺失物質(zhì)(30%與我們知道的小于5%之間的差值)稱為暗物質(zhì),剩余的帶負壓物質(zhì)稱為暗能量。
我希望這個解釋幫組你理解暗能量,這一切都以相當扎實、嚴謹?shù)臄?shù)學和物理為后盾;但與此同時,我們對于這些暗物質(zhì)和暗能量究竟是什么,一丁點線索都沒有。
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