为什么暗能量会使宇宙空间加速膨胀？

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物质和能量告诉时空如何弯曲；弯曲的时空告诉物质和能量如何移动。这是广义相对论的基本规则，它适用于宇宙中的一切，包括整个宇宙本身。在20世纪90年代末，我们从宇宙中遥远的星系收集了足够的数据，推断出这些星系不仅在远离我们，而且它们的退行速度正在增加。这意味着宇宙空间结构不仅在膨胀，而且膨胀正在加速。

唯一的合理解释是，宇宙中的质能一定比我们之前了解的更多。在膨胀的宇宙中，物质和能量不仅决定空间曲率，还决定空间膨胀速率是如何随着时间变化的。我们在20年前就知道宇宙的组成部分是正常物质、暗物质、中微子和辐射。宇宙可以很好地伴随这些而膨胀，但是遥远的星系膨胀应该只会减慢。观察到空间加速膨胀意味着宇宙中还存在别的东西，而且它们不仅存在，还占主导地位。

广义相对论表明，空间结构本身正向弯曲还是反向弯曲取决于物质。像地球这样的行星或者像太阳这样的恒星会导致空间结构弯曲，而更密集、质量更大的天体会导致空间弯曲得更厉害。

另一方面，如果宇宙中有很多物质均匀分布，那么所有的时空都会感受到一种总体引力效应。如果宇宙没有膨胀，引力会使宇宙万物坍缩成一个奇点。但事情是宇宙并没有坍缩，这意味着某种东西阻止了这种坍缩。要么是某物抵消了引力，要么是宇宙在膨胀。

这就是宇宙大爆炸理论的最初来源。由于宇宙中的物质均匀分布，那么，宇宙万物产生的引力会试图把一切拉到一起。既然宇宙还没有再次坍缩或正在坍缩，那就只剩下两种选择：引力理论是错误的，或者宇宙在膨胀。

考虑到广义相对论已经通过了各种严苛的测试，所以很难断言它是错误的。特别是因为有了一个充满物质和辐射的宇宙，所需要的只是一个初始膨胀，就能拥有一个现在的宇宙，现代宇宙特征为：正在膨胀、正在冷却、密度变小、充满红移的光、过去炽热且致密，这些都是宇宙大爆炸理论最好的证据。

宇宙膨胀迅速开始，而引力作用又将物体拉回一起。那么，宇宙随着时间推移如何演化的三种可能：

（1）引力胜：宇宙开始迅速膨胀，但是最终足够的引力把一切拉回在一起。膨胀达到一个最大值，停止了，然后反过来又开始重新坍缩。

（2）引力和膨胀打平：初始膨胀和引力相互抵消。宇宙中再多一个质子，它就会重新坍缩，但并没有。相反，膨胀速率逐渐接近于零，而遥远的星系后退会越来越慢。

（3）膨胀胜：快速膨胀被不充足的引力阻碍。随着时间推移，星系继续远离彼此，虽然引力减慢了膨胀，但它永远不会停止。

但我们实际上观察到的是第四个。在最初的几十亿年里，宇宙似乎处于“临界”路径上，然后突然间，遥远的星系远离另一个星系开始加速后退。从理论上讲，这里存在一个令人信服的理由。

有一个非常简单的方程决定着宇宙是如何膨胀的——弗里德曼方程。尽管它看起来很复杂，但方程中的术语具有现实世界的意义，很容易理解。

弗里德曼方程

方程左边表示宇宙膨胀速率（平方）的量，也就是俗称的哈勃常数。哈勃常数并不是真正的常数，它会随宇宙膨胀或收缩发生改变，它告诉我们宇宙结构是如何膨胀或收缩的。

方程右边表示所有的物质，辐射，以及构成宇宙的任何其他形式的能量。还有空间本身固有的曲率，这取决于宇宙是封闭的（正向弯曲的），开放的（反向弯曲的），或者平坦的（不弯曲的）。方程中还有一个宇宙常数Λ，它可以是能量的一种形式，也可以是空间的内在属性。

这两边必须相等。我们认为宇宙的膨胀会减慢，是因为随着宇宙的膨胀，能量密度（右边）下降，因此空间的膨胀速率必须下降。但是如果有宇宙常数或者其他形式的暗能量，能量密度可能不会下降。它可以保持恒定，甚至增加，这也意味着膨胀速率将保持不变或增加。

不管怎样，这都意味着一个遥远的星系在远离银河系的时候会加速，这被归因于暗能量。暗能量并不是一种向外推的压力或对抗引力的力量，而是因为它们的能量密度随空间膨胀的变化方式（这种方式就是不会随空间膨胀而改变）使宇宙加速膨胀。

随着宇宙膨胀，更多的空间被创造出来。由于暗能量是空间固有的一种能量形式，所以当空间膨胀时，暗能量的密度不会下降，这与正常物质、暗物质、中微子、辐射以及我们所知道的其他任何东西都有本质的不同。因此，暗能量以一种与所有其他类型的物质和能量不同的方式影响宇宙的膨胀速率。

简单地说，一种新的能量形式可以以一种新的方式影响宇宙的膨胀速率。这完全取决于能量密度随时间的变化。当物质和辐射随着宇宙膨胀而变得不那么致密时，空间仍然在所有地方仍有相同的能量密度。那么，为什么暗能量会有这样的特殊性质呢？这仍然是宇宙中最大的谜团。

  
本文选自：今日头条
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