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宇宙加速膨脹,暗能量可能是幕後推手,為何有人認為它不存在?

宇宙加速膨脹,暗能量可能是幕後推手,為何有人認為它不存在?

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現在宇宙加速膨脹的事實,已經被眾多天文觀測結果所證實,最直接的支撐結論就是哈勃紅移現象。科學家們透過遙遠星系相對於地球退行的速度測算出哈勃常數,然後再根據宇宙微波背景輻射等其它觀測結果,倒推宇宙誕生於138億年的奇點大爆炸,這種關於宇宙誕生和發展演化的推測,目前已經成為科學界的主流觀點。然而,宇宙加速膨脹的這種現象,與我們對宇宙中常規物質的性質,特別是萬有引力的效果有著明顯的出入,宇宙為何會加速膨脹,一直以來困擾著我們。

宇宙加速膨脹,暗能量可能是幕後推手,為何有人認為它不存在?

對宇宙中現有物質構成的猜測

究竟是何種力量,推動宇宙空間出現加速膨脹現象呢?既然現有理論解釋不了這個問題,科學家們就應用“假設”的方法進行推測,畢竟“假設”是人類科學發展程序中所常用的原則之一,先提出一種設想,然後用實驗或者觀測的方法來證實就行了。

那麼這個“假設”,就是基於與萬有引力正好相反的基礎提出的。科學家們認為,在宇宙中存在著一種特殊的結構,在這種結構中,提供了對其中物質的強烈排斥力,而這種排斥力從宏觀上的表現效果,要比萬有引力對物質的吸引能力更強,從而達到推動宇宙空間不斷膨脹、星體不斷遠離的結果,科學家們將這種特殊的宇宙結構命名為“暗能量”。

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透過科學家們的測算,宇宙中存在著三種物質結構,第一是常規的普通物質,是我們能夠感知以及能夠被儀器監測到的世界,重量佔比只有5%。第二種是暗物質,不能被儀器直接觀測到,但可以透過引力透鏡等現象偵測到的,比電子還要微小、不帶有任何電荷、不參與電磁作用但是可以形成引力效應的物質,重量佔比約為25%。第三種就是暗能量,是測量宇宙總重量之後,排除普通物質和暗物質之後所剩餘的那部分,佔比約70%。可見,按照這種“假設”,暗能量可以說是構成宇宙的最主要結構,從某種意義上來說,是決定和推動宇宙形成和發展演化的最核心力量。

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暗能量比率的“稱量”

根據科學家們對暗能量的屬性描述,它不具備有任何的質量屬性,但是可以提供類似電子與電子之間,或者磁性粒子與磁性粒子之間的那種排斥力。而關於上述暗能量在宇宙中的佔比,則是基於宇宙模型而推算出來的,到目前為止,我們人類還沒有相應的科學技術,來從理論上對這種猜測結果進行驗證。

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在天文學中,如果要估算一個天體的質量,往往利用的是在萬有引力理論基礎上,所建立的各種數學模型,這些模型中的一些引數,則是透過各種天文觀測取得的資料。而如果要測算整個宇宙的重量,那麼這將是一個非常複雜的過程,這裡面既包括許多物理領域的理論知識、數學知識,還包括諸多工程技術、計算機模擬技術等等。

常規的普通物質就不用說了,估算它們重量的方法有很多。對於暗物質來說,主要是透過觀測星系中的恆星旋轉速度與萬有引力理論計算之間的差距,另外還可以透過以星系為引力透鏡的效果,來測算暗物質和普通物質之間的比率關係。那麼問題就轉換成了“稱量”整個宇宙的重量了。

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科學家們目前有兩種方法,可以估算宇宙的總質量,一種是從宇宙目前的膨脹速度以及加速度得出結論,另一種是根據宇宙的整體“彎曲程度”。以第二種方法為例,理論上,如果宇宙的總質量大於臨界質量,則會產生明顯的引力效應,宇宙的整體形態則為球面;如果宇宙的總質量小於臨界質量,那麼引力效應就會減弱,宇宙的整體形狀則為馬鞍面;如果宇宙的總質量等於或者非常接近臨界質量,那麼宇宙的整體則為平坦形狀。

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科學家們從宇宙加速膨脹的觀測結果推算出來的宇宙總質量,或者透過考慮“平坦”宇宙所測算出對應的臨界質量,結果都遠大於目前所估測出來的明、暗物質的總和,為了解決中間的差值問題,科學家們將69%的“缺失部分”,確定為暗能量。

目前,科學家們在觀測La超新星爆發現象時發現,在理論上地球上所觀測到的La型超新星爆發,其亮度值應該與它們和地球之間的距離,有著基本的線性對應關係。可事實並非如此,在地球上的觀測亮度值,要比理論上的衰減一些,而且距離越遠,偏離線性關係的程度越明顯。於是科學家們進一步確認了宇宙加速膨脹的事實,而且這種觀測結果,也為暗能量存在的猜測提供了一個依據。

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關於暗能量或許不存在的猜想

由於暗能量目前還無法直接測量,僅處於理論的假設階段,所以自從概念提出以後,就受到了包括愛因斯坦在內許多物理學家的質疑,但是事實的觀測如此,截至目前還沒有提出替代它的方案。

近日,丹麥哥本哈根大學的一個研究團隊,開發出了一個數學模型,其目的就是想用一種引發磁力作用的暗物質來代替暗能量。而引發這個研究的出發點,則是對愛因斯坦引力方程的“改造”。愛因斯坦在1917年時,在廣義相對論的引力場方程中,加入了宇宙常數,以表達一種未知的排斥性宇宙力量的影響作用。丹麥的研究團隊透過模擬,將“暗能量”從方程中移除,並且加入了一些暗物質的基本屬性,結果發現並未影響宇宙膨脹的效果。

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在具體操作中,研究人員創造的數學模型,引入了包括引力、宇宙膨脹速度以及推動宇宙膨脹的未知力量-X,而這個X,研究團隊輸入的引數並不是暗能量,而是一個基於暗物質粒子所具有的某種磁力假設模型。透過模型的除錯運算,輸出的結果與現有暗能量影響宇宙演化結果基本一致。

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當然,這個模型還只是一種假設,並不能排除巧合的可能性,因為一時半會我們既不能證實,也不能證偽。不過,我們應該看到,假如這個模型真的與現實宇宙的發展規律相吻合,這就將從根本上改變我們對宇宙組成以及宇宙膨脹原因的認知。在沒有定論之前,一切都有可能,況且我們面對的是無比浩瀚和神秘的宇宙呢!