宇宙学新贵_暗能量

宇宙学新贵_暗能量 ( “绝境之中须用奇 招” Desperate times evidently 1998 年度十大科技进展之一 。曾被美国科学杂志评为 ) call for desperate measures, 这 是 英 国 著 名 物 理 学 家 、 暗能量是什么 ? 它从哪里来 ? 它又要到哪里去 ( ) 它会伤害我们吗 ? 美国著名物理学家 、芝加哥大学教剑桥大学教授 吉 邦 斯 G1W1 Gibbons在 一 篇 关 于 新 () 近宇宙学发展的论文中的精彩评述 。自从 20 世纪 90 授特纳 M1S1Turner对此进行了精彩的回答 。 ( ) 年代以来 , 随着技术的突飞猛进 , 人类对宇宙的探索 由索尔〃帕尔马特 Saul Perlmuter和布雷恩 〃施 () 米特 Brain Schmidt领导的两个小组 , 通 过 观 测 遥 达到了前所未有的水平 。以哈勃太空望远镜为代表的 新一代卫星探测器的发射 , 使人类第一次能够清晰的 远的超新星的红移 , 发现了宇宙在加速膨胀 , 而不是 过去我们所认为的减速膨胀 。在这令人迷惘的时候 ,窥测宇 宙 深 处 的 奥 秘 。同 时 , 这 种 对 宇 宙 的 深 入 认 理论物理学家们需要站出来告诉大众 , 他们实际上对识 , 也对传统的观念提出了强烈的挑战 。上个世纪的 于这个发现期待已久 , 甚至曾经预言了它的存在 。最后几年里 , 在宇宙学中发生的一系列重大的发现 , 完全可以与哈勃在上个世纪初 发 现 星 系 的 退 行 相 媲 宇宙加速膨胀的发现 , 也许是过去 25 年中所有 科学领域中最重要的发现之一 , 它挽救了一个优美的美 。这些发现彻底 改 变 了 我 们 过 去 对 宇 宙 演 化 的 认 理论 ———暴涨理论 , 并且给理论家们提出了一个奇妙识 , 把人 类 对 自 然 的 认 知 推 到 了 一 个 新 的 起 点 。当 () 然 , 与历史上任何重大发现一样 , 它们也给人类带来的谜题 ———暗能量 推动宇宙加速膨胀的物质。我 们还能再奢求什么呢 ?了深深地迷茫 , 让科学家们莫衷一是 。 那么这些发现 () 是什么呢 ? 它们说明了什么呢 ? 经 自从 1980 年以来 , 阿兰〃古斯 Alan Guth关于 过几年坚持不懈的努力 , 现在科学家们已经对这些发 宇宙暴涨的想法一直是宇宙学的推进剂 。它的核心内 容是说在宇宙的早期 , 有一段飞速膨胀的时期 , 这个现进行了梳理 、 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf , 并且得出了初步结论 : 我们的 膨胀是由一种假想的称为膨胀子的场的势能推动的宇宙有三分之二的能量是源于一种特殊的物质 ———暗 能量 , 它使我们现在的宇宙加速膨胀 。这一重大发现 在极短的时间内 , 宇宙的一小部分突然涨大到可以包 容我们今天所看到的一切以及更多我们看不见的东西 的尺度 。空间的弯曲被抚平了 , 膨胀子场中的量子涨 落也从亚原子尺度被放大到了天体物理的尺度 。膨胀 子的衰变产生了大爆炸的热 , 而其中的那些量子涨落 ( 则导致了物质的不均匀性 , 为宇宙中的各种结构 从 ) 星系到总星系 , 再到更大尺度的结构的形成提供了 种子 。 暴涨不仅仅对现象进行了解释 , 而且它还给出了 许多预言 。预言包括一个空间平坦的宇宙 , 宇宙微波 (背景辐射中各向异性的特定模式 源于量子密度涨落 ) 以及 引 力 波 ; 暴 涨 为 非 常 成 功 的 冷 暗 物 质 模 型 () CDM中的结构形成提供了灵感 。CDM 模型建立在 平坦宇宙基础上 , 暗 物 质 由 变 化 缓 慢 地 基 本 粒 子 构过去 怀 疑 暴 涨 理 论 成 , 而密度扰动则源于量子涨落 。的天 文 学 家 都 成 了 从一开始 , 暴涨理论的标志性预言 ———平坦的宇 暴 涨 理 论 的 信 徒 。 宙 ———就遇到了麻烦 。根据爱因斯坦的理论 , 宇宙的 , 宇 更 为 神 奇 的 是 ρ空间曲率是由平均能量密度来决定的 ; 因而 , 对 宙的 加 速 膨 胀 原 来 0 于平坦的宇宙 , 它必须等于一个临界能量密度 。用宇 就是 宇 宙 拼 图 中 先 ΩΩ宙学的术语来说 , 就是要求 = 1 , 其中 是所有 0 0 前 缺 失 的 那 一 块 。 物质的平均能量密度与临界能量密度的比值 。在 1980 它挽救了暴涨理论 , Ω年 , 天文学家们对于 的测量表明 , 它的值大约为 0 当然 还 是 要 小 心 你 011 左右 。因此 , 暴涨理论学家就寄希望于日益增多 的期望不要过高 。 的关于存在大量暗物质的证据上 , 这些暗物质把星系 根 据 牛 顿 的 观以及星团束缚在一起 。而且它们比恒星的分布还要稀 点 , 引 力 总 是 吸 引 Ω疏 , 从而很难估计出它们的总量 。这样 , 的估计 0 值就提高了 , 而且 , 在一段时期内人们认为存在足够 的 , 因 为 一 个 物 体 多的暗物质从而可以满足暴涨理论的预言 。 的引力强度只与它的质量有关 。而爱因斯坦的理论则 允许排斥的引力以及加速膨胀宇宙的存在 , 因为引力 ρ的强度在以+ 3 p 为引力源时 , 也与压强 p 有关 。一 宇宙学的困难 ( ρ) 些非常有弹性的物质 即负压强 p < - / 3可以产 生排斥的引力 , 而不是吸引的引力 。 到了 1990 年 , 平坦宇宙的问题开始增 多 , 对 于 暗物质数量的估测也更精确了 。可是也发现它跟所需 然而 , 压强 与 能 量 密 度 相 当 的 物 质 是 非 常 奇 特要的数量还相差甚远 , 并且大尺度结构的天文观测表 的 , 即使是在太阳中心 , 物质的压强也比它的能量密 明 , CDM 宇宙的物质密度是临界能量密 度 的 三 分 之 度小好几个量级 。因为压强与能量密度之比取决于物 Ω一 , 也就是说= 1Π3 。这时 , 我们中的一些人就小 M 质内部速度的平方除以光速 , 所以暗能量本质上是相 心翼翼地提出一个挽救暴涨理论的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 : 引入一个宇 对论性的 , 而且更像能量而不是物质 。即使排斥的引 Λ 宙学常数来补充剩下的三分之二的临界能量密度 , () 力听起来好像是玩笑 , 但是暗能量 就我们所知不 ΩΩΩΩ即= 2/ 3 , 从而使得=+= 1 。因为暴涨理 Λ 0 M Λ 能被聚集起来产生一个具有反引力的物体 。 Ω论预言的是平坦的宇宙 , 而不是要求= 1 。 M 为了拯救一个优美的理论 , 理论家们情愿去考虑 量子力学为非常具有弹性的物质提供了一个候选 那些难以臵信的 , 尽管不是不可能的东西 。在宇宙学 者 : 填补在真空中的虚粒子对具有负压强 。为了看清 多变的发展史上 , 宇宙学常数当然是属于难以臵信的 这一点 , 可以计算一个围绕着量子真空的活塞膨胀时 一类 。爱因斯坦用它去建立静态宇宙模型 , 赫尔ρρ所做的功 pd V ; 你将会发现 p= - , 其中是 vac vac vac ( ) 曼 〃 邦 迪 Hermann Bondi 、托 马 斯 〃戈 尔 德 ( ) ρ 量子真空能量 密 度 见 图。因 此 , 由 于+ 3 p = -( ) ( ) Thomas Gold和弗里德 〃霍伊尔 Fred Hoyle则用它 ρ 2, 量子真空能是排斥的 。从数学上讲 , 量子真空vac 去探讨 宇宙回到大爆炸的时间比地球的年龄还短这一 事实 , 而现在 , 它又被用来拯救暴涨理论了 。 能等效于爱因斯坦那 “声名狼藉”的宇宙学常数 。 Λ 在 90 年代 中 期 , 版 的 CDM 理 论 的 观 测 证 据 , 包括从 CMB 各项异性测量所得到宇宙是平坦的初步 证据 , 开始变得引人注目了 , 至少对于理论家们来说 Λ( 如此 。但是 , 还是有一个问题 : CDM 模型 包含有 ) 宇宙常 数 的 CDM 模 型也 预 言 了 宇 宙 的 加 速 膨 胀 , 尽管爱因斯坦把宇宙学常数作为他个人所犯的重 大错误而抛弃了 , 但是量子力学却使其成为必须要考 虑的 东 西 。不 幸 的 是 , 即 使 是 最 好 的 量 子 “力 学 ”, , 那么宇宙的命运将认识发生了变革 。如果只有物质 没有发现这种效应 。暗能量由其状态方程来表征 状 ρ态方程就是其压强与能量密度的比值 w = p/。尽管 只取决于其几何 : 闭宇宙将会再次坍缩 , 开宇宙或者 () w 读作 “dubya”不 一 定 是 常 数 , 但 是 为 了 简 便 ,平坦的宇宙将会永远的膨胀 。如果暗能量是真空能 , 我们平坦的宇宙将会不断地加 速 到 一 个 黯 淡 的 宇 宙假定它为常数 。 ( ———1000 亿年 以 后 , 我 们 附 近 的 几 百 个 星 系 发 出 的如果暗能量是真空能 , 那么 w = - 1 作为比较 , ) 非相对论性物质的 w = 0 , 辐射的 w = 1Π3。这个比 光将几乎全部偏移到远红外 , 从而无法被看到 。如果 暗能量最终消散 , 那么宇宙将开始减速 , 并且有可能值 w 决定了暗能量的能量密度在宇宙膨胀时的演化 : ) (3 1 + wρ( ?1ΠR, 其中 R 是宇宙标度因子 。负压强 w < 再次坍缩 。 3 () ρ)0导 致 了 一 个 比 物 质 密 度 减 小 的 速 度 ? 1/ R 因为暗能量非常稀薄 , 宇宙学是唯一已知的探测 M 更慢地能量密度 。正因为这一事实 , 暗能量在过去相 它的方式 , 而 w 则是钓钩 。暗能量的能量密度依赖 对次要 , 而会在未来变得越来越重要 。然而 , 为什么 于 w 并且会影响膨胀的速度 。暗能量的各种模型之 暗能量在今天变得如此重要还尚待解释 , 我称这个问 间的差异主要在于它们预言了不同的 w , 从而也就预 () 题为南 希 〃柯 里 甘 Nancy Kerrigan问 题 , 即 , 为 什 言了不同的宇宙膨胀历史 。遥远的超新星 、星系团 , ( 么是我 ? 为什么是现在 ? 译注 : 该问题也被称为巧 以及引力透镜都可以用来确定宇宙过去的膨胀速度 , )合问题 , cosmological coincidence 暗能量在过去不重要 ,这一点很好 :这个事实意味 从而确定 w 。而且 , 人们也对此有着极大的兴趣 : 两 着暗能量的排斥引力不会干扰暗物质的吸引引力 ,而 个新的研究中心 ———斯坦福大学的凯维力粒子天体物 后者推动了宇宙结构的形成 。此外 ,暗能量在过去不 ( 理和宇宙学研究所 Kavli Institute for Particle Astrophys2 重要这一点也是宇宙加速膨胀的另外一个独立论据的 ) ics and Cosmology, 以 及 芝 加 哥 大 学 的 宇 宙 物 理 NSF 基石 。通 过 对 CMB 进 行 测 量 , 我 们 得 到 宇 宙 是 平 坦 研究中心 ———都把对暗能量的研究列为科学上的头等 的 ,而这就要求有一些“失缺”的能量作为物质的补充 , 大事 。美国能源部正在筹备一个专门观测超新星的太 而且这种能量在过去的影响并不重要 。因为如果不是 ( 这样的话 ,那么均匀分布的暗能量将会干扰结构的形 空望远镜 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 SNAP SuperNovaΠAcceleration Probe 超新 成 。为了让这部分“失缺”的能量在过去不重要 ,我们 ) 星Π加速探测。美国宇航局也把探测暗能量作为其最 需要 w < - 1/ 2 ,而这又意味着它具有排斥的引力 。 新的爱因斯坦探测器的主要任务 。美国自然科学基金 富有想象 力 的 理 论 家 们 提 出 了 种 种 可 能 的 暗 能 () 会 NSF也 正 在 考 虑 建 造 一 架 直 径 8 米 的 望 远 镜 量 。其中许多都涉及到了一个新的标量场 , 当这个标 () Large 2aperture Synoptic Survey Telescope LSST, 大 孔 (量场 古希腊人认为 , 世界是由水 、土 、火 、空气以 径天气探测望远镜 ] 来研究暗能量 。 及 quintessence 组 成 , 而 quintessence 则 被 称 为 第 五 元 ) 暗能量是所有科学中最深刻 、最令人兴奋的难题素 ———译注朝着它的基态滚动时 , 我们就会经历一 段温和的暴涨 。因为第五元素和暴涨都涉及到宇宙的 之一 。我们似乎需要一个疯狂的新想法来解释宇宙的 加速膨胀 , 而且它们的内在原因却远未被了解 , 所以 加速以及宇宙学常数问题 。当然这也并不是说每一个 人们曾经设想它 们 之 间 可 能 是 密 切 相 关 的 。迄 今 为 疯狂的想法都是一个解决方案 。这一努力的回报将非 常丰厚 :我们将更 深 刻 地 了 解 物 质 、空 间 和 时 间 的 本 质 ,也将对宇宙的命运更加清楚 。 [ Physics Today ,2003 年第 4 期 ]