是誰給了宇宙膨脹一個加速度

目前的宇宙構(gòu)成以暗能量為主(上)大爆炸初期暗物質(zhì)主宰著宇宙(下)

夜晚于蒼穹之下仰望星空，看到滿天星斗，不免讓人感嘆：宇宙如此深邃。

隨著科技的進步，人類對宇宙的認識不斷加深。

近日，瑞典烏普薩拉大學的研究人員提出了一種全新的宇宙模型，該模型認為整個宇宙位于某個維度中一個擴張的“氣泡”的邊緣上，這一新模型有助于解答宇宙暗能量之謎。

暗能量讓宇宙加速膨脹

1929年，美國天文學家哈勃發(fā)現(xiàn)浩瀚的宇宙并不是靜態(tài)的、永恒不變的，事實上它每時每刻都在膨脹。

科學研究及天文觀測發(fā)現(xiàn)，宇宙從大爆炸開始，就在不斷膨脹，而星系彼此之間的分離就是膨脹的具體體現(xiàn)。

“1998年，國際上兩個超新星研究小組通過對Ia超新星的觀測和分析, 各自獨立地發(fā)現(xiàn)了宇宙不僅在膨脹，而且正在加速膨脹。”中科院國家天文臺研究員高長軍告訴科技日報記者。

事實上，解釋宇宙加速膨脹是現(xiàn)代科學中最大的挑戰(zhàn)之一。原因是根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，由于引力的作用，宇宙中所有物體都必定互相吸引，這就必然導致宇宙的膨脹會越來越慢，也就是說宇宙膨脹應是減速的，而不是加速。

那么，如何解釋宇宙的加速膨脹呢?宇宙加速膨脹的動力來自哪里呢?很顯然，這需要宇宙中存在一種能夠產(chǎn)生排斥力的東西，正是它推動了宇宙加速膨脹。科學家們猜測，暗能量是造成宇宙加速膨脹的幕后推手，也就是說暗能量是宇宙空間的排斥力。

暗能量中所謂的“暗”，一方面表明它不發(fā)光，另一方面也表明我們對它一無所知。美國天文學會主席柯施諾曾說：“暗能量是如此不可思議。人人都在尋找辦法對它加以解釋。”

高長軍表示，暗能量是一種未知的能量形式，它分布在整個宇宙空間，加速宇宙的膨脹。最近的宇宙學觀測表明，人類熟悉的原子物質(zhì)(重子物質(zhì))只占宇宙總能量的4%，而剩下的能量部分都是看不見的暗物質(zhì)和暗能量，其中暗物質(zhì)占23%，暗能量約占72%。

光榮回歸的宇宙學常數(shù)

說到暗能量，宇宙學常數(shù)就是一個繞不過去的概念。它最初是愛因斯坦為了得到一個靜態(tài)的宇宙模型而提出的。

1915年，愛因斯坦發(fā)表了他的廣義相對論——一種將時空結(jié)合在一起的引力理論，這也是研究宇宙學的基礎。因為我們的宇宙由地球、太陽、銀河系等物質(zhì)組成，而物體之間有引力相互作用，使得我們的宇宙必然會收縮。

“但是，在20世紀初，人們認為我們所在的宇宙是靜態(tài)的，并不存在膨脹和收縮的問題。為了抗衡宇宙中物質(zhì)引力將導致的宇宙收縮，使得宇宙處于靜態(tài)，愛因斯坦在他的廣義相對論引力場方程里加入了一個宇宙學常數(shù)項。這個常數(shù)的動力學效果相當于排斥力，這個斥力與物質(zhì)間的引力正好相抵消，宇宙才能靜止。” 中國科學技術(shù)大學物理學院天文系教授孔旭曾表示。

然而，隨著哈勃定律的發(fā)現(xiàn)，人們認識到宇宙不是靜態(tài)的。愛因斯坦就在引力場方程中去掉了這個常數(shù)，并宣稱宇宙學常數(shù)的引入，是他“一生犯的最大的錯誤”。

“現(xiàn)在科學家又重新引入了宇宙學常數(shù)，這和當初愛因斯坦將其引入以解釋靜態(tài)宇宙模型不同，現(xiàn)在的宇宙學常數(shù)被用來作為暗能量的候選者，也就是充當斥力項，如果宇宙學常數(shù)足夠大，那么斥力就可以大于物質(zhì)間的引力，就可以很好地解釋宇宙加速膨脹。”高長軍說道。

事實上，早在1930年，就有天體物理學家指出，愛因斯坦那加入了宇宙學常數(shù)的引力場方程并不能導出完全靜態(tài)的宇宙：因為引力和宇宙常數(shù)是不穩(wěn)定的平衡，一個小小的擾動就能導致宇宙發(fā)生失控的膨脹和收縮。而暗能量的發(fā)現(xiàn)告訴我們，那作為與引力相抗衡的宇宙常數(shù)不僅確確實實存在，而且大大擾動了我們的宇宙，使其正“加速飛奔”。在經(jīng)歷了這一系列曲折后，宇宙常數(shù)又光榮“回歸”了。

除了宇宙學常數(shù)之外，科學家們也在積極考慮暗能量的其他候選者。比如有人認為，暗能量有可能是一種假想的能量，它同樣分布在整個宇宙空間，但會隨時間改變，甚至能在不同的地方聚集。暗能量的其他候選者也可能是一種經(jīng)過修改的引力理論，它在小尺度上表現(xiàn)為引力，在大尺度上表現(xiàn)為斥力。

氣泡上的四維宇宙

新近提出的氣泡模型，也是解釋宇宙加速膨脹的一種觀點。這個模型引入了一個與我們熟知時空不同的維度，整個宇宙被安置在該維度中一個不斷擴張的“氣泡”邊緣，宇宙中所有物質(zhì)都對應著可以延伸到那個額外維度空間的弦的末端。根據(jù)這個模型，在另一個維度空間中可能還存在其他“氣泡”，而這些“氣泡”上也可能存在其他宇宙。

研究人員認為，這個擴張氣泡模型是一個全新概念，它與弦理論的框架兼容，也有望用于解釋暗能量之謎。弦理論的基本觀點是，自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克之類的點狀粒子，而是很小很小的線狀的“弦”。弦理論可以使二十世紀兩大物理學基礎理論——相對論和量子力學在一個數(shù)學框架內(nèi)統(tǒng)一起來。

弦理論確信至少需要十個維度才能建立一個理論框架，讓描述微觀世界的量子力學與描述宏觀引力的廣義相對論互相兼容。弦理論家假定，宇宙中所有粒子都被局限在一個四維的膜宇宙中，而膜宇宙又鑲嵌在一個更高維度的空間里。不過引力子可以從膜宇宙中穿入穿出。

但是弦理論目前還沒有被實驗證實。

在高長軍看來，氣泡模型的思想類似于DGP(Dvali-Gabadadze-Porrati)模型。他表示，DGP模型認為，我們這個四維的宇宙鑲嵌在一個五維的空間當中，我們所觀測到的所有的物質(zhì)都被限制在這個四維宇宙之中。引力在小尺度(四維)上是四維的，會比較強;但在距離更遠的大尺度上是五維的，引力相應地也就變?nèi)趿耍@樣也可以解釋宇宙為什么會加速膨脹。而氣泡模型認為，在兩個能量不同的五維空間的邊界存在一個四維空間，這就像二維圓面的邊界是一維圓周，三維球體的邊界是二維的球面一樣，我們的宇宙就在兩個五維空間的邊界-四維空間-之中。

由此可見，我們的宇宙也不容易，“它在夾縫中頑強地活著”。