暗能量是否存在可替代品，它和宇宙膨胀加速之间有什么关联？

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宇宙中的物质类型很多，从尘埃到星系，科学家们都可以通过观测技术去发现。但还有一种被称为暗能量的能量就有所不同了：在宇宙学中，它在长距离上类似于一种反引力，能够渗透到所有空间并施加负压，从而导致宇宙以不断增加的速度膨胀，但由于人类尚未直接探测到它的存在，暗能量相当于是一种假设的能量形式。而在物理宇宙学中，暗能量则是一种充溢空间、可促使宇宙膨胀速度增加的一种难以察觉的能量形式。那么，具有两个基本模型的暗能量是否也有可替代品，为什么它的作用力总是和宇宙膨胀加速有关？

宇宙加速和存在暗能量的证据

早在1998年的时候，当时的两支天文学家小组报告称，远距离Ia型超新星在数十亿年前发生爆炸的光线令人费解，而它们比原先想象的更远是对此最好的解释，这意味着宇宙的扩张并没有像预期的那样减缓，反而是在加速。在接下来的几年中，这一惊人的结果已被更为详细的Ia型超新星研究、来自星系团的独立证据、星系的大规模分布以及宇宙微波背景辐射所证实。而暗能量对宇宙中不同天体的影响力会有所不同，对于星系和恒星大小的物体，暗能量的影响很小，但对于理解宇宙的大尺度结构至关重要。

当一颗白矮星爆炸时会产生Ia型超新星，因为它会因伴星中太多物质的积聚而变得不稳定，或者更罕见地与另一颗白矮星合并。白矮星的最大稳定质量约为1.4倍太阳质量，所以大多数Ia型超新星都会产生大约相同数量的光，该属性使它们成为了非常有用的距离指示器。近年来，Ia型超新星以这种方式被用来确定宇宙的膨胀正在加速：当宇宙的膨胀如预期的那样因重力的拉动而减速，遥远的Ia型超新星被观察到系统地暗淡，并且，过去50亿年来，这种扩张速度一直在加快。在过去的十年中，科学家们更进行的一系列超新星测量，已经测量了数百个遥远的超新星，大大加强了宇宙加速和暗能量的暗示。

研究人员通过对星系团 X射线发射的研究，已被证明是收集暗能量存在证据的有力技术。这是一种称为“结构生长”方法的方法，其依赖于观察宇宙中最大质量的“重力束缚物簇”的数量随时间变化的方式。钱德拉的数据提供了作为时间函数的群集质量的高质量估计，可与具有和不具有暗能量的宇宙膨胀模型的预测进行比较。结果与超新星数据的结论非常一致；而另一种方法则是通过钱德拉的数据来确定簇中热气体与暗物质的比率。群集的计算机模拟表明，该比率应该随时间而几乎恒定，再现该结果的扩展宇宙的唯一模型，便是包含与其他技术一致的暗能量的模型。

宇宙微波背景（CMB）辐射是大爆炸的余辉，在天空中的它们看似非常均匀。然而，威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和其他望远镜，已经检测到其微小的温度变化或波动。而这些波动是由于物质团块的密度略高于或低于平均值，这些团块的增长取决于宇宙膨胀率和声波传播速度等因素，而声波的速度又取决于质量能量密度和宇宙组成。由于这些声波引起的振荡在CMB的波动范围内表现为微妙的模式，科学家们通过WMAP高度准确地测量波动表明，所需的暗能量与超新星和聚类研究的结果一致。这种声波模式仍然印在物质的分布上，并在数百万年后形成的星系分布中显示出来，这是对宇宙中暗能量的另一种检查。

星系和星系团对光的引力，扭曲或剪切了遥远星系的图像，而科学家们对这种失真的分析，则可以揭示暗物质的量随着时间如何分布。该信息可以与暗能量对结构生长的影响的理论模型相结合，以显示暗物质和暗能量的量与其他测定一致。从具有独立年龄估计的宇宙膨胀率，推导出的宇宙年龄的比较，更提供了对驱动膨胀加速的暗能量的重要检查。已知最古老的恒星的年龄，将宇宙的年龄限制在了12到150亿年之间，这再次与暗物质和暗能量的估计一致。一系列广泛的天文观测结果得出了一致的图像：其中宇宙质量能量预算的4.9％至5％是正常（重子）物质，如质子和中子，而其中的 68％左右都归因于暗能量。

暗能量的两个基本模型是什么

爱因斯坦的引力理论必须得到改变，或者空间被一种神秘的能量形式所渗透，从而暗能量就可以导致加速。宇宙加速的观测证据很强，但理解这种加速的起源是当代科学中最大的未解决问题之一。而暗能量的两个基本模型，是指它与真空能量（空间相关的能量）在整个空间和时间内是恒定的，相当于所谓的“宇宙常数”；或一个在空间和时间上变化的能量场，科学家们称之为“标量场”或“精华”。在这两种情况下，提出一个解释其工作原理的理论已经证明是难以捉摸的。

真空能量，是暗能量最直接的解释，在数学上，它相当于在描述宇宙膨胀的方程中添加一个称为宇宙常数的常数项，然而，真空能量的物理基础是一个谜。爱因斯坦为了产生一个静态宇宙而引入了宇宙学常数，然后当埃德温·哈勃和其他人证明宇宙正在膨胀时，宇宙常数就会下降。后来，随着量子力学的发展，人们意识到海森堡不确定性原理允许粒子在非常短的时间尺度（电子的大约万亿分之一秒）内闪烁和存在，因此，空的空间、或者真空，真的不是空的。科学家们在氢原子的能级和粒子质量的变化中，测量了这些所谓的虚拟粒子的效果。量子理论要求空的空间被填充颗粒（蓝色）和反颗粒（红色）在非常短暂的时间（t）存在，并且行进极短的距离（x）之后不断地产生和消灭。

而标量场或精华，顾名思义，真空能量或宇宙学常数在空间和时间上是恒定的。由于存在称为标量场，假设真空能量可以在空间和时间上变化，此类模型假设标量场能量密度在很早的时间跟踪辐射和物质的能量密度，然后在以后的时间主导宇宙的能量密度。当暗物质和暗能量的能量密度几乎相等时，这种追踪属性可以解释我们生活在一个时代的宇宙巧合。已经提出了许多版本的标量字段，但迄今为止还没有出现过最受欢迎的版本。与真空能量一样，对于为什么标量场的强度如此小，或者对于暗物质和暗能量之间的关系，尚不存在令人满意的物理解释。

未来研究的一个重要目标，就是将真空能量和标量场区分为暗能量候选者。而最有希望的方法，是使用上述方法确定暗能量的密度和压力之间的确切关系。这种关系可以表示为压力= wx密度，其中w称为“状态参数方程”。对于真空能w = -1，而对于标量场，w可以小于或大于-1，并且它可以随时间变化。迄今为止，所有观察结果与w = -1一致，但其他值以及随时间的变化也是可能的。暗能量的模型包括真空能量或标量场，这两者都可以被认为是覆盖空间中每个点的螺旋弹簧场，对于宇宙学常数而言，每个弹簧都将是相同的长度、并且不动；对于标量场而言，每个弹簧都将被拉伸到不同的长度。

暗能量是否也有存在可替代品

暗物质和暗能量的大尺度引力特性会影响宇宙膨胀率，而宇宙的膨胀率又会影响星系团的生长。但相比之下，超新星的观测、测量宇宙中星系的大规模分布，则对重力的性质不敏感，仅取决于宇宙的膨胀率。科学家们也寻求通过改变万有引力的方式，来解释宇宙加速度的模型、几十万年宇宙微波背景的波动，以及数十亿年后星系团的增长。宇宙加速度可能是一个标志，重力理论需要针对极大的距离尺度进行修改，或者我们所生活的区域是一个非常大的空间，并恰好比其他空间的密度要低得多。

科学家们对星系团的观测，也已被用于测试 “f（R）重力”的另一种引力理论。而在这个理论中，宇宙膨胀的加速来自于重力的改变，而非源自外来形式的能量。通过将局部宇宙中星系团的质量估计与f（R）重力的模型预测进行比较，并使用来自几何研究的数据进行理论和观察比较，结果表明并没有证据显示重力与爱因斯坦的理论大于1.3亿光年。与此同时，在宇宙时间内，还对星系团快速增长的X射线观测与爱因斯坦理论的预测进行了比较，并再次结合来自几何研究的数据。最终发现观察与理论之间几乎完全一致，简而言之，结果显示，反对任何具有不同增长率的替代引力模型。尤其是具有5维的模型，预测聚类增长速度比爱因斯坦的理论慢，因为当它泄漏到额外维度时，重力会在大尺度上被削弱。

作为改变引力的替代方案，则是假设我们所居住的银河系位于一个非常大、近球形区域的中心附近，而该区域的密度低于宇宙的平均密度。这种模型能否解释宇宙加速的所有证据还有待观察，如果暗能量是真空能量，那么宇宙继续加速膨胀，在大约1000亿年的时间周期中，唯一可见的星系将是那些接近几百万光年的星系；如果暗能量是标量场，则可能的未来会取决于标量场的性质，可能将会停止膨胀而崩溃，它可能会像真空能量场景那样或多或少地扩大，又或者是无限制地增加，而宇宙将以“大裂缝”结束，撕裂星系团、星系、恒星，以及最终的原子。


本文选自：今日头条