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宇宙中所有物质都应随引力而聚集,为什么宇宙还在不断加速膨胀?

 星辰大海种花家 2019-09-11

1998年两个研究小组通过Ia型超新星的观测,不约而同的发现宇宙正以超过目前测算的膨胀速度约10-15%的比例扩张,因此而得出了宇宙正在加速膨胀这一结论。而在同一年美国理论宇宙学家约翰·特纳提出了“暗能量”的概念。

通过观测发现而修改宇宙学模型,这是科学发展中常有的现象,1937年天文学家弗里茨·兹威基在观测后发座星团时发现,似乎万有引力定律不再适用,因为星团中的好多星系的公转速度似乎大大超过可见物质引力所能束缚的极限,但这些星系仍然在平稳运行,从来都没有出现过分崩离析的迹象,修改宇宙学模型?还是按特例来处理,如果按特例,未来的宇宙学模型可能就是一个处处特例的词典了。

弗里茨·兹威基认为宇宙中大多数物质可能是看不见的,我们看到的只是其中一部分物质,他将这些物质取名为“暗物质”,暗物质这个名词就是这么来的,尽管我们现在还不知道暗物质真是模样,但我们根据广义相对论中的光线通过大质量天体附近是会被弯折这个现象绘制出了宇宙中暗物质分布,根据它的特性推断出了它参与引力与弱相互作用,而现代暗物质观测基础也是弱相互作用为基础展开的。

在和弗里茨·兹威基发现并命名暗物质的十几年前,俄国数学家亚历山大·弗里德曼在1922年发现了广义相对论中一个非常重要的解,即弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规。

即曲率在正负零时的不同宇宙学模型,被称为弗里德曼宇宙模型,这中间有一个非常重要的一点就是曲率K的选择,这将关系到宇宙的未来。那么如何来衡量呢?只能观测,因为宇宙学模型的提出需要大量的观测来证实,否则它就是一句空话,其实这也是科学的精神。

哈勃的观测证明遥远的宇宙正在迅速远离,但哈勃从来不为他说过的话做过多的联想,以前是怎么样,未来又是怎么样,哈勃一声不吭,他只对他的观测数据负责,其它任由科学界自由想象。

因此从宇宙膨胀,再到宇宙诞生的模型正在逐渐流转开来,二十世纪六十年代初,美国科学家 彭齐亚斯和R.W.威尔逊为了改进卫星通讯而发现来来自宇宙的全向干扰,从而开启了宇宙微波背景辐射观测这扇大门,这也是在宇宙各向同性证明道路上迈出了坚实的一步

COBE绘制的背景辐射图

从1989年COBE卫星升空绘制宇宙微波背景辐射,发现宇宙微波背景辐射涨落的幅度只有约十万分之一。再到哈勃空间望远镜分别在1995和1998以及2003年随机选定的天区中观测发现,遥远宇宙中星系数量在任何方向上没有区别。

三者精度一目了然

再到2009年5月普朗克卫星发射,补全了威尔金森微波各向异性探测器 (WMAP)在测量大尺度微波背景辐射波动上的不足,最终普朗克卫星测得的宇宙微波背景辐射涨落只有百万分之六,跟COBE卫星相比,精度提高了两个数量级,基本上为宇宙各项同性的铺垫已经成熟。因为从这个结果中我们已经可以假设宇宙是平直的,继而推导出我们想要的宇宙临界密度计算公式。

当H=70千米/秒/百万秒差距时,宇宙的临界密度为3.6×10^-30g/cm^3,而当前测得的哈勃常数约比70千米小了2.75千米/秒/百万秒差距,这使得两者差距非常小。宇宙似乎会朝着目前的趋势一直膨胀下去,但1998年发现的宇宙加速膨胀确实令宇宙学家措手不及,从这一年开始,宇宙学模型加入了暗能量加速膨胀个概念,而根据两个小组的测定,宇宙大约在诞生90亿年时,暗能量导致的宇宙膨胀开始加速。

暗能量:天文学家认为暗能量是某种直接作用于时空结构的能量,产生的和引力相反,导致时空结构膨胀的能量。请注意,到现在为止暗能量仍然只是一个计算值。

根据大爆炸模型推测出的物质比例和现代宇宙物质比例模型,除了显物质以外,似乎暗物质和暗能量的比例都大幅改变了,按暗物质下降比例简直就是颠覆性的下降。

宇宙正在加速膨胀这已经成了不争的事实,两个通过研究Ia型超新星爆发红移得出宇宙加速膨胀的两个研究小组,获得了2011年的诺贝尔物理学奖,这表示整个科学界在为他们背书,现在也因为加速膨胀而引入了暗能量的概念,宇宙大爆炸模型正在被一个个补丁打齐,但补丁的方向是否正确,数量是否足够,还有待未来进一步的观测来佐证,比如确认暗物质和暗能量的具体性质,特征以及由来。

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