宇宙学暗能量模型

keajoo

在科学不发达的古代，人们已经开始对宇宙的结构产生种种的设想和猜测。在中国有盖天、浑天、宣夜诸说，在希腊，从Aristotle到，Pholemy，数百年间建立了极为精致而复杂的宇宙模型，那时在人们的观念里，一直相信地球是宇宙的中心。历史上，是Copernicus率先推翻了这种观点，把宇宙的中心移到太阳上。

随着天文观测技术的发展，人们了解到，与银河系中其它许多恒星一样，太阳也不过是颗普普通通的恒星。之后，星云的发现，使人们知道了在宇宙中存在着大量的像银河系一样的河外星系，我们的银河系只是这许许多多星系中普通的一员。而且，星系和星系还可以结合成更大的星系团，星系团的尺度约为一千万光年。在更大的尺度上，许多星系团又组成尺度大概为一亿光年的超星系团。如果在比这个尺度还大的范围内看，宇宙中的物质就是均匀地分布了。这个比超星系团还大的尺度就是“宇观尺度”。我们在宇宙学中所用的宇宙学原理就是指在宇观尺度上，宇宙在任何时刻都是均匀各向同性的。

爱因斯坦在1917年发表广义相对论之后，认为宇宙才是广义相对论有用武之地的领域。可以说，现代宇宙学的理论开端就是广义相对论。爱因斯坦在年提出了一个建立在广义相对论及宇宙学原理基础上的宇宙模型。通过引入宇宙学常数，爱因斯坦实现了一个静态的、均匀各向同性的、有限无边的静态宇宙模型。但是，在1922年，Friedmann用不加宇宙项的引力场方程，得到了一个动力学演化的宇宙模型。其实早在1910年代，就有观测发现大多数漩涡星云正在退离地球；1929年哈勃总结了当时的一些观测数据，提出了一条经验规律，即星系远离地球的速度同它们与地球之间的距离刚好成正比，这就是哈勃定律。根据宇宙学原理，当观测空间足够大时，没有特殊的方向和特殊的点，因此哈勃定律说明宇宙在膨胀，这是Friedmann对动力学宇宙模型的支持。

此后的二十世纪四十年代，Gamov的热大爆炸宇宙学模型正式登场，它告诉我们大约137亿年前，在大爆炸发生的那一刻，宇宙处于一个极密、极高温的状态。之后宇宙逐渐膨胀、冷却演化至今，而观测事实也支持这样一个演变自热密状态的宇宙。经典大爆炸模型在建立之后，取得了辉煌的成就，大爆炸宇宙学理论的观测基础有星系红移为基础的哈勃膨胀及宇宙微波背景的测量等。这个模型的成功使得人们将其列为描述微观世界的粒子物理标准模型之外的另一个标准模型，人们把它叫做宇宙学标准模型。但是，这个模型也存在着一些难以自圆其说的疑点，如平直性疑难和视界疑难等。这些问题随着暴胀理论的提出而得到了解决，暴胀是在宇宙极早期的一次短暂并极端快速的加速膨胀。

近年来，诸如威尔金森微波背景各向异性探测器（WMAP）、斯隆数字巡天（SDSS）和超新星（SN）等宇宙学观测实验有了飞速的发展，而对天文观测结果的综合分析强有力地支持了“暴胀+暗物质+暗能量”的宇宙学模型。

暗能量是近年宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果。1998年，对遥远超新星的观测使我们知道了宇宙在加速膨胀，能驱动宇宙加速膨胀的未知负压物质被通称为暗能量。天文观测告诉我们，暗能量占宇宙今天总能量的70%左右；它犹如一个背景成分一样在宇宙中均匀地分布；而且它在大尺度上不结团，否则它就会在星系或者星系团中有巨大的引力效应。另外，来自原初核合成和结构形成的理论对暗能量也有严格的限制，要求它只是在宇宙演化到离现在很近的过去，尤其是在结构形成之后才逐渐起主导作用的，在早期宇宙所占的比例必须很小。自发现宇宙加速膨胀以来，暗能量问题就成为宇宙学研究的核心领域之一。

在理论上，暗能量的最简单的候选者是宇宙学常数，它是1917年爱因斯坦为建立一个静态的宇宙学模型而引入的。然而，值得指出的是，在当今宇宙学的研究中对于宇宙学常数的研究有更深一层的意义，它包含真空能。在量子场论中，“真空”是不“空”的，真空等效于爱因斯坦引进的宇宙学常数。因此在实验测量中，两者不可区分。如果暗能量就是宇宙学常数，那么宇宙今天已经开始的加速膨胀将会永远持续下去，宇宙的时空会越来越接近一个de Sitter时空。一个宇宙学常数加上冷暗物质的宇宙学模型就是所谓的ΛCDM模型。宇宙学常数虽然简单，但它作为暗能量候选者却存在很困难的理论问题，即精细调节问题和宇宙巧合问题，所以许多理论物理学家都比较倾向于动力学暗能量模型。

最简单的动力学暗能量模型是所谓的“精质”（quintessence）模型。它是一个具有正则动能的标量场，一个均匀分布的精质场就如同一个背景场一样，当它沿着自身的势能曲线滚动时，如果其势能曲线非常平坦，即精质场处于慢滚阶段，那精质场就能提供负压强，驱动宇宙加速膨胀。在动力学精质模型中，存在着一类类似吸引子的追踪解，在这类精质模型中初条件可以在很大的范围内变化但却能给出晚期相同的演化结果，因而可以很好地解决宇宙巧合问题。

除了精质模型外，基于当时数据分析结果提出的动能项为负的“幽灵”（phantom）模型也是动力学暗能量的候选者。如果幽灵标量场是暗能量的话，那么宇宙未来可能在“大撕裂”中走向末日。此外，2004年的超新星数据公布后，数据分析的拟合结果表明暗能量态方程也存在着越过-1的可能，也就是暗能量可以从类精质行为变为类幽灵行为，具有这种演化特征的暗能量就是“精灵”模型。另外，宇宙学原理告诉我们宇宙在大尺度上是均匀各向同性的，即在大尺度上来描述，暗能量和暗物质的分布都是均匀和各向同性的。

但无论是暗物质还是暗能量，我们都是根据一定的天文观测间接推断出来的，因此还存在着这样一种可能性，即暗物质和暗能量不过是一种成分的两种表现形式，这种将暗物质和暗能量统一起来的一个例子就是气体模型。可以说，暗能量的本质决定了宇宙的演化方式及命运，然而目前的观测数据还无法让我们确定暗能量的本质，因此对暗能量的起源和本性的研究已经成为当前理论物理学中最深刻的问题之一。虽然观测数据与宇宙学常数型的暗能量符合得很好，但是也不能排除其它形式暗能量存在的可能性。

从本质上说，暗能量问题应该是一个量子引力问题。因为在经典引力中，人们总可以引入爱因斯坦宇宙学常数使得暗能量为任意值，只有在量子引力理论中，宇宙学常数或暗能量才可能是一个可计算量。也就是说，只有一个完整的量子引力理论才可能给出唯一的宇宙学常数的值。当前，在量子引力的框架下对暗能量问题进行探索的一种尝试是所谓的“全息暗能量”模型。近年来量子引力研究的一个重要结果就是全息原理，这个原理是在受到黑洞的量子性质的启发下提出的。普通量子场论只能在适当小尺度的系统上应用，尺度过大则会导致违反全息原理，或者更准确地说是违反Bekenstein的熵限。全息暗能量模型基于两个观察，分别对应于暗能量的密度和暗能量的态方程参数。

第一，尽管我们现在还没有一个完整的量子引力理论，但是我们可以尽量在一个有效量子场论中考虑引力的效应。在这个有效量子场论中，可以考虑某些已知的量子引力的基本原理，比如说全息原理。考虑到引力，即在一个量子引力系统中，传统的定域量子场论会由于自由度过多而导致黑洞的形成。因此，全息原理要求系统的真空能密度应该有一个上限，即一个空间尺度为L的区域的总能量不能超过相同尺度的黑洞的质量。很明显，这个限制意味着在这个有效量子场论中存在一个紫外/红外对偶。根据紫外/红外对偶的论证，这一个体系尺度作为红外截断可以给出一个紫外能标，如果选红外截断为宇宙特征尺度，那么相应的紫外能标和宇宙学常数的能标一致。

第二，宇宙特征能标的选择影响暗能量的态方程参数。为了得到合理的暗能量状态方程，有人提出理论中的红外截断应该由宇宙未来事件视界来决定。这项改进得到了一个非常合理的全息暗能量模型，可以同时对宇宙学常数问题及宇宙巧合问题提供较为合理的解释。而在最近，有人根根据量子力学的不确定性关系和广义相对论中的引力效应提出了叫做agegraphic暗能量的新模型。全息暗能量和暗能量模型是以量子引力的某些原理为基础的模型，从这个角度上讲，它们可能拥有暗能量基本理论的某些重要特征。

随着大规模宇宙学观测项目的相继实施、观测数据的大量积累和观测手段的突飞猛进，今天的宇宙学研究己经迈入了“精确宇宙学时代”。除了人们迫切需要理解观测数据在鉴别和区分各种暗能量模型的实际效果外，观测手段的联合和宇宙演化物理过程之间的关联也需要我们更进一步的精确把握暗能量演化对观测的影响。因此，依靠观测数据对暗能量行为进行重构的策略同样的得到了宇宙学研究者的极大关注。通过重构，能够有效地推断暗能量的演化行为

自从对1998年超新星的观测发现宇宙加速膨胀以来，人们构造了各种各样的暗能量模型来解释或者描述这个加速膨胀现象。然而，由于暗能量模型越来越多，对暗能量模型加以区分和甄别就变得愈发重要了。这就需要找到一种对暗能量行为敏感的诊断手段。在这种情况下Sahni等人提出了一种行之有效的暗能量模型诊断方案，称为statefinder诊断，利用参数｛r，s}各种暗能量模型的行为方式进行区分和鉴别。

暗能量在近些年来一直是宇宙学研究的热点。它作为现在宇宙学研究的核心问题之一，突出体现了人们探索未知世界的极大热情。但是，尽管对超新星的观测为暗能量的存在提供了最为直接的证据，可我们依然无法得知这种神秘物质的本性及其物理起源。暗能量的最自然的解释是宇宙学常数或者真空能。然而，宇宙学常数理论估算值与实际观测到的暗能量密度之间巨大的差距带来了两个著名的宇宙学常数问题，即精细调节问题和宇宙巧合问题。可以说，这两个问题对暗能量模型动力学方面的研究起了重要的推动作用。人们用诸如精质、幽灵、精灵和（半）全息暗能量等动力学暗能量模型来解释宇宙的加速膨胀和暴涨现象。

本文选自：今日头条
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※鱼鱼╰☆

‘宇宙学中所用的宇宙学原理就是指在宇观尺度上，宇宙在任何时刻都是均匀各向同性的。’这个应该不符合事实。