暗能量是什么？它让爱因斯坦当年做过的“蠢事”变成了“神预言”

xufang1985

话说在天文学界如今有几个特别热的词：暗物质、暗能量、引力波、中微子、宇宙微波背景辐射等等。事实上，这些也是目前天文学领域的研究前沿阵地。

今天，我们就来科普一下：什么是暗能量？

宇宙在膨胀？

说起暗能量，我们就不得不从爱因斯坦说起。在爱因斯坦之前，当时有个“宇宙永恒”的观念。意思就是说，宇宙是永恒不变的，以前什么样，现在还是什么样。爱因斯坦实际上也深受这种观念的影响。

到了1915年，爱因斯坦发表了他的广义相对论。其中广义相对论当中有一个广义相对论的场方程，爱因斯坦用这个方程来描述宇宙。但是这个方程预示着宇宙正在膨胀，这就和爱因斯坦的观念是相互矛盾的。于是，爱因斯坦就给方程加了一个“宇宙学常数”，用符号Λ表示。

有了这个宇宙学常数，就可以使得方程所描述的宇宙处于静态，就会满足爱因斯坦“永恒宇宙”的观念。不过，爱因斯坦的这个行为遭到了一些学者的反对。其中最具代表性的是一个叫做勒梅特的神父，同时他其实也是个科学家。

勒梅特指出，爱因斯坦这个宇宙学常数不应该是一个定值。而且宇宙其实就应该是膨胀的。照理说他本该把宇宙学常数清理出去。但事实并非如此，勒梅特认为宇宙在膨胀的，宇宙开始于一个炽热的奇点。我们可以利用宇宙学常数Λ来描述膨胀速率。

但是勒梅特仅仅是从理论的基础上推导的，利用的也还是爱因斯坦的广义相对论场方程。科学理论的对错还是需要依靠石锤。

后来，有个叫做哈勃的天文学家，一直在观测银河系系外星系，他就发现一个问题，很多星系都有红移的现象。

所谓红移，说白了就是我们观测到的这些星系的电磁波信号的波形被拉长了，在光谱上显示的就是往红段移动，因此被称为红移。红移现象意味着这个星系在离我们原理。

而且哈勃还发现，距离我们越远的星系，红移量越大，这说明远离我们的速度越快。那到底是什么原理导致星系在红移呢？

哈勃并没有给出答案，而是提出了哈勃定律来描述星系的退行。这个定律现在改名叫做哈勃-勒梅特定律。

虽然勒梅特的理论早于哈勃的观测，但是勒梅特的理论其实和哈勃的观测是相互印证的，也就是说，宇宙大概率是在膨胀的。可能你要问了，为什么是空间膨胀，而不是星系自己运动？

其实这个依据来自于哈勃发现的第二个规律，那就是离我们越远的星系退行越快。如果是星系自己动，那每个星系都会有自己的退行速度，而不是和距离我们的远近存在线性关系。

因此，其实宇宙的膨胀应该是整体性的膨胀，具体我们可以理解成，如果你在一个气球上点上小点，代表星系，那宇宙的膨胀就类似于把气球吹大。如果你仔细观测气球上面的点，就会发现，他们是在相互远离，而且你取其中一个点为参考系，那距离这个点越远的点，退行的就越快。

所以，宇宙是在膨胀的，宇宙起源于一个炙热的起点。哈勃的发现使得很多人觉得这个宇宙学常数Λ根本没有存在的必要，希望把宇宙学常数请出广义相对论的场方程。

传说当爱因斯坦知道哈勃的发现时，他是十分懊悔自己当年的“一厢情愿”，错过了预言“宇宙膨胀”的功绩。

后来，科学家弗里德曼，伽莫夫，包括本次的诺奖得主吉姆·皮布尔斯都加入到完善这个理论的队伍当中。这个理论被逐渐完善成了如今我们熟悉的宇宙大爆炸理论。

暗能量

说了这么多，你可能要寻思了，这和暗能量有什么关系？

实际上关系大的很。上文中，我们就聊到了勒梅特用宇宙学常数Λ描述宇宙膨胀的速率。但是，其实科学家一直没搞懂宇宙到底是如何膨胀的。当时最主流的看法是这样的，宇宙早期经历了一次剧烈的膨胀，后来，逐渐开始减速膨胀，一直持续至今。

不过，科学家在计算宇宙质量的时候，就发现宇宙的质量竟然是一个负数。经过了多次检查之后，确认了没有计算错误。于是，他们就在观测中寻找原因。在1998年，有两个科学家在独自观测了Ia型超新星后，发表了宇宙加速膨胀的结论。这一下子引起了整个学术圈的震动。后来，领导这两个小组的负责人也在2011年获得了诺贝尔物理学奖。

他们的发现，也预示着宇宙中存在这一种和引力相反的作用力，也就是斥力，这种作用可以迫使宇宙加速膨胀，我们把提供这个力的物质叫做：暗能量。科学家发现，暗能量其实是空间有关，随着宇宙空间的增大，暗能量提供的斥力就会越来越大。在距今45亿年前，宇宙中的暗能量所提供的斥力大于了暗物质和已知物质提供的引力，于是，宇宙开始加速膨胀。

因此，宇宙一开始是剧烈膨胀了一下，后来持续了几十亿年的减速膨胀，后来空间达到了现在宇宙空间的75%，就又开始加速膨胀了。

科学家还能利用宇宙微波背景辐射来计算暗能量在宇宙中的占比，根据最新的数据，我们可以知道暗能量占到了宇宙中最物质量的68.9%。这个比例要远高于暗物质和已知物质的。

而我们可以观测到的已知物质其实只占宇宙总物质量不到5%。但是暗能量到底是什么，目前无人能给出一个令人信服的理论，天文学家关于它的加速千奇百怪什么都有。

但有一定是可以确定的，那就是暗能量和宇宙学常数Λ有关，更直白地说，暗能量和宇宙的膨胀速率有关，因此宇宙学常数Λ得以复生。暗能量的存在使得爱因斯坦当年的“一厢情愿”成为现实，只不过两者的取值不同罢了。这也算是科学史上一个“反转”。

原文地址：今日头条