宇宙模型

在目前物理學(xué)和天文學(xué)研究的前沿領(lǐng)域，引力波、暗物質(zhì)、暗能量、中微子是最重要的研究方向。在研究宇宙的過程中，天文學(xué)家是利用模型思想來做研究的。研究宇宙整體演化的模型被稱為標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型。這個(gè)模型從最早的托勒密完善的地心說模型，再到哥白尼完善的日心說模型；

再到愛因斯坦提出的“有限無邊靜態(tài)宇宙”模型；乃至后來逐漸發(fā)展起來的膨脹宇宙模型，再到大爆炸模型。

最終到如今以大爆炸模型為基礎(chǔ)的Λ-DCM模型。在這個(gè)最新的宇宙模型當(dāng)中，DCM代表的是暗物質(zhì)，而Λ是希臘字母，小寫表示方法是λ，讀音是“拉姆達(dá)”，代表的是宇宙膨脹的速率變化程度，它其實(shí)就和暗能量有關(guān)系。那暗能量到底是什么？在哪里？有什么用？

今天，我們就來聊一聊這個(gè)話題。

宇宙學(xué)常數(shù)Λ的前世

話說，在1666年，當(dāng)時(shí)正值倫敦爆發(fā)瘟疫，牛頓躲到了自己的鄉(xiāng)下老家，專心研究學(xué)術(shù)，這一年也被稱為牛頓奇跡年。在這一年，牛頓發(fā)明了微積分，他當(dāng)時(shí)管這個(gè)叫做流數(shù)；同時(shí)完成了光學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)解析部分，給后來萬有引力定律的工作奠定了基礎(chǔ)。

到了1687年，牛頓正式發(fā)表了著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。在這本書中，牛頓詳細(xì)闡述了萬有引力定律，他認(rèn)為萬物之間都存在著彼此吸引力的力，一種超距作用。通過萬有引力定律，牛頓統(tǒng)一了天上和地上的物理學(xué)規(guī)律。但是，關(guān)于“萬有引力是一種超距”這個(gè)問題上，其實(shí)并沒有解釋得很清楚，一直以來都有很多的學(xué)者在思考萬有引力的本質(zhì)到底是什么？

到了1905年，科學(xué)界又迎來另一個(gè)奇跡年，被稱為愛因斯坦奇跡年。在這一年，愛因斯坦發(fā)表了四篇具有開創(chuàng)性的論文，其中就包括大名鼎鼎的狹義相對(duì)論。

在狹義相對(duì)論中，愛因斯坦統(tǒng)一了時(shí)間和空間，他認(rèn)為不應(yīng)該把時(shí)間和空間分開來看，而應(yīng)該合并起來看，將其并稱為時(shí)空，我們所生活的世界就是一個(gè)四維時(shí)空。狹義相對(duì)論其實(shí)針對(duì)的是慣性參考系，我們可以理解成是針對(duì)平直時(shí)空的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律。

那彎曲的時(shí)空又是什么樣子的呢？

從1905年到1915年，愛因斯坦就一直在潛心研究這問題，最終他提出了廣義相對(duì)論。在廣義相對(duì)論中，愛因斯坦提出了一個(gè)著名的“等效原理”，他認(rèn)為，重力場和（適當(dāng)）加速運(yùn)動(dòng)的參考可以相互等價(jià)，這里的加速運(yùn)動(dòng)的參考系可以理解成彎曲的時(shí)空。通過這個(gè)方式，愛因斯坦統(tǒng)一了重力場和加速運(yùn)動(dòng)。

于是，很容易得出這樣一個(gè)結(jié)論，那就是引力的本質(zhì)其實(shí)就是彎曲的時(shí)空。

舉個(gè)最簡單的例子，月球之所以繞著地球轉(zhuǎn)，實(shí)際上就是因?yàn)榈厍驂簭澚藭r(shí)空，月球只是沿著時(shí)空的測(cè)地線在運(yùn)動(dòng)而已。

關(guān)于廣義相對(duì)論，愛因斯坦給出了一個(gè)著名的廣義相對(duì)論重力場方程，但是當(dāng)他仔細(xì)琢磨這個(gè)方程時(shí)，他就很納悶，這個(gè)方程預(yù)示著宇宙正在膨脹。但是愛因斯坦本人一直持有的觀點(diǎn)是宇宙是靜態(tài)的。于是，他在方程當(dāng)中加入了宇宙學(xué)常數(shù)Λ，把膨脹的效應(yīng)抵消掉，并提出了他構(gòu)想的宇宙模型：有限無邊靜態(tài)宇宙模型。

但是愛因斯坦很快迎來了雙重打臉。首先出手的是一個(gè)叫做勒梅特的神父，當(dāng)然，他其實(shí)還是一個(gè)物理學(xué)家。他在研究愛因斯坦這個(gè)方程時(shí)，就發(fā)現(xiàn)愛因斯坦夾帶的“私貨”。于是，他就提出了異議，他認(rèn)為宇宙就是應(yīng)該膨脹的。

緊接著，天文學(xué)家哈勃通過觀測(cè)再度打臉愛因斯坦。具體來說是這樣的，哈勃在觀測(cè)銀河系外的星系時(shí)，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的星系都在發(fā)生紅移。所謂紅移說明了星系在離我們遠(yuǎn)去，后來經(jīng)過更加細(xì)致的研究，科學(xué)家證實(shí)了宇宙正在膨脹。

按照哈勃的發(fā)現(xiàn)，宇宙學(xué)常數(shù)Λ應(yīng)該從愛因斯坦的場方程中去掉。所以，哈勃的發(fā)現(xiàn)幾乎給宇宙學(xué)常數(shù)Λ判了死刑。

據(jù)說，連愛因斯坦曾對(duì)此懊悔不已，他認(rèn)為給廣義相對(duì)論添加宇宙學(xué)常數(shù)Λ是他一生中最大的錯(cuò)誤。

宇宙學(xué)常數(shù)Λ的今生

可能愛因斯坦做夢(mèng)都想不到，宇宙學(xué)常數(shù)Λ未來竟然還會(huì)起死回生，事情還能迎來反轉(zhuǎn)，他添加的這個(gè)宇宙學(xué)常數(shù)Λ，真的是瞎貓碰上了死耗子。在哈勃發(fā)表了自己的觀測(cè)結(jié)果，并提出了大名鼎鼎的哈勃定律之后。

勒梅特提出了不同的看法，他認(rèn)為宇宙學(xué)常數(shù)Λ未必會(huì)等于0，也就是說，宇宙學(xué)常數(shù)Λ未必應(yīng)該去除掉。他是這么思考的，如果我們向上拋一個(gè)小球，這個(gè)小球會(huì)減速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)最高處時(shí)，速度會(huì)變成0，接近著開始加速下落。

我們知道，宇宙中的物質(zhì)之間是呈現(xiàn)引力的，也就是說，它們?cè)诒舜宋?。所以，宇宙膨脹的過程中，實(shí)際上受到了引力的作用，宇宙應(yīng)該是減速膨脹的。但這都是在假設(shè)宇宙中只存在引力的情況，但宇宙真的存在引力嗎？這目前我們還不知道，因此，宇宙學(xué)常數(shù)Λ是一個(gè)很好的調(diào)節(jié)器，可以調(diào)節(jié)宇宙膨脹的速率。但是勒梅特的研究在當(dāng)時(shí)并沒有引起太多的關(guān)注。

后來，科學(xué)家在計(jì)算宇宙的總質(zhì)量時(shí)，就發(fā)現(xiàn)宇宙的總質(zhì)量竟然是一個(gè)負(fù)值。后來，科學(xué)家們檢查了一遍計(jì)算的過程，發(fā)現(xiàn)并沒有什么錯(cuò)誤。于是，科學(xué)家就猜測(cè)是不是存在著人類觀測(cè)不到的物質(zhì)？

后來，有兩個(gè)獨(dú)立觀測(cè)的科學(xué)團(tuán)隊(duì)，他們發(fā)表了Ia型超新星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)數(shù)據(jù)表面宇宙正在加速膨脹。隨后，這個(gè)觀測(cè)結(jié)果也被其他團(tuán)隊(duì)所證實(shí)。2011年，兩個(gè)小組的負(fù)責(zé)人獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

宇宙加速膨脹的結(jié)果也預(yù)示著，宇宙中存在著一種力，這個(gè)力的屬性恰好和引力是相反的，也就是斥力。而提供這個(gè)斥力的就被科學(xué)家稱為暗能量。

愛因斯坦的宇宙學(xué)常數(shù)Λ正如勒梅特預(yù)言的那樣，需要重新引入到廣義相對(duì)論的場方程當(dāng)中，用來描述宇宙的加速膨脹，只不過這時(shí)的取值和愛因斯坦的取值是不一樣的。

暗能量

科學(xué)家進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，暗能量實(shí)際上和空間自身的尺度有關(guān)，也就是說，宇宙的尺度越大，暗能量就會(huì)越大。而宇宙中還存在著可見物質(zhì)和暗物質(zhì)，它們所提供的其實(shí)是引力。因此，宇宙的膨脹實(shí)際上是引力和斥力相互博弈的結(jié)果，或者我們可以說是暗物質(zhì)、可見物質(zhì)與暗能量博弈的結(jié)果。

在宇宙大爆炸之初，可見物質(zhì)和暗物質(zhì)的引力是宇宙的主導(dǎo)，宇宙是在減速膨脹；而到了距今45億年前，宇宙膨脹到如今宇宙大小的75%，暗能量提供的斥力占據(jù)了主導(dǎo)，于是，宇宙開始加速膨脹。

如今，科學(xué)家已經(jīng)可以通過宇宙微波背景輻射來計(jì)算暗能量、暗物質(zhì)、可見物質(zhì)的比例。其中暗能量占據(jù)了接近75%，其余的大部分都是暗物質(zhì)，可見物質(zhì)只有不到5%。也就是說，由于暗物質(zhì)也是無法直接進(jìn)行觀測(cè)的，因此人類可以觀測(cè)的，僅僅是宇宙總物質(zhì)量的不到5%。

暗能量的占比說明了暗能量將在未來宇宙的演化過程中扮演極為重要的角色。我們目前所知道的是，暗能量和真空的尺度有關(guān)，它提供與引力相反的斥力。

然而暗能量到底是什么？我們目前一無所知，在學(xué)術(shù)圈，暗能量的假說簡直遍地都是?？梢哉f，暗能量是如今這個(gè)時(shí)代，科學(xué)界上空的一朵烏云，它對(duì)宇宙的演化起到了決定性的作用，而我們對(duì)它卻一無所知。