愛因斯坦提出的宇宙學常數,為暗能量的研究提供了新的方向

2020-12-05 科學情報館

01宇宙學常數提出的背景

宇宙常數

宇宙學常數,最早由愛因斯坦提出。一個多世紀以前,愛因斯坦提出了一組方程,稱為愛因斯坦場方程,這個方程成為了廣義相對論的框架,它解釋了物質和能量是如何扭曲時空的,在當時,愛因斯坦認為,宇宙是固定不變的,並且星系之間的相對空間位置是不會改變的。當他將廣義相對論應用於整個宇宙時,他的理論預測到宇宙會膨脹和收縮,為了迫使宇宙處於靜止狀態,愛因斯坦在他提出的方程中加入了宇宙學常數。

02宇宙學常數真的是錯誤嗎

1929年,哈勃發現了宇宙在膨脹之後,這個結果迫使愛因斯坦承認了自己的錯誤,並放棄了宇宙學常數。但是,後來科學家們發現宇宙在加速膨脹之後,又重新引入了宇宙學常數。

03宇宙學常數是研究暗能量的基礎

事實上,宇宙學常數是一種空間本身攜帶的能量密度,在愛因斯坦的廣義相對論中產生一種排斥性的引力。當空間膨脹時,暗能量越來越多,相比越來越稀疏的物質產生的引力,斥力越來越強。粒子物理學家也許可以給它提供一個起源,那就是在充滿不確定性的量子真空中,不斷翻騰著、生成又幻滅的虛粒子。問題是,這些粒子看起來能量有點高了,大概是10的120次方焦耳/立方千米。

這種災難性的差異為其他替代理論創造了空間。暗能量可能是瀰漫於空間的某種能量場,隨著時間的推移,甚至可能在某些地方凝聚。它可能是某種在長距離上呈現斥力的引力形式。在一種理論裡,暗能量化身為某種無線電波,只是波長比可觀測宇宙還要大數萬億倍。

困擾科學家的宇宙

天文學家想要弄明白暗能量是否隨時間變化,如果是的話,那就能將宇宙學常數排除了,因為它的密度是保持不變的。與之相對的是,在空間慢慢拉伸時,如果暗能量是一種新的能量場,它就可能會被稀釋,也可能由於宇宙膨脹而變多,從而加強。在大部分修正引力理論裡,暗能量的密度也是會變化的,甚至可能會先增後減,也可能先減後增。

04宇宙的平衡

宇宙命運的奧秘在於平衡。如果暗能量保持穩定,宇宙中的大部分區域都會隨著與我們的距離的增加而加速遠去,只剩下我們在一個小小的宇宙孤島,並永遠地與宇宙的其他部分斷絕聯繫。如果暗能量增強,它可能會在一場大撕裂中把所有物質都撕毀,甚至可能在今時今日就會讓空間變得不穩定。我們今天的最佳估計主要依賴於對超新星的觀測,我們的結論是,暗能量的密度還是穩定的。

相關焦點

  • 困擾物理學家近百年的宇宙學常數——愛因斯坦最大失誤或被更正?
    星系彎曲時空結構(綠色)和暗能量(紫色)的平滑效果示圖(主導了重力效應。)瑞士日內瓦大學理論物理學助理教授盧卡斯·洛姆布裡瑟(Lucas Lombriser)提出了一種新的評估愛因斯坦引力方程的方法,以找到與觀測值緊密匹配的宇宙常數值。 他在《 Physics Letters B》雜誌上在線發表了他的方法。
  • 愛因斯坦錯了?我國研究團隊發現動力學暗能量證據
    據新華社北京9月7日電(記者董瑞豐)對於宇宙間神秘的暗能量,科學研究有了最新突破。中國科學院國家天文臺的一支研究團隊近日發現了暗能量隨時間演化的證據,這一發現表明,暗能量的本質有可能不是愛因斯坦百年前提出的「宇宙學常數」。
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    新華社北京9月7日電(記者董瑞豐)對於宇宙間神秘的暗能量,科學研究有了最新突破。中國科學院國家天文臺的一支研究團隊近日發現了暗能量隨時間演化的證據,這一發現表明,暗能量的本質有可能不是愛因斯坦百年前提出的「宇宙學常數」。
  • 愛因斯坦引力方程中的宇宙常數與暗能量的區別是什麼?
    愛因斯坦所忽略的是,宇宙的大小遠遠超出了我們自己的銀河系,其中包含了數千億個與我們銀河系相當的星系。這樣的宇宙規模是在廣義相對論提出數年後才被觀測到的,因此愛因斯坦在那時能想到這些問題也是相當的了不起!也許是後來人們杜撰的,愛因斯坦把引入宇宙常數稱為「最大的錯誤」。
  • 早期的暗能量模型可以解決不斷膨脹的宇宙學難題
    黑暗能量和宇宙常數隱含著許多謎團,這些可用來解釋宇宙加速膨脹。新的研究表明,早期的暗能量模型提出了一種相互競爭的理論,該理論提供了當前模型的所有優勢,而沒有帶來與宇宙常數相關的負擔。作為該力的佔位符或代理,暗能量(一種光滑的類流體成分,用負壓填充宇宙)已插入具有定義該加速度的宇宙常數(用符號Lambda表示)的標準宇宙學模型中。但是,宇宙這一重要元素的真實本質仍在逃避我們。
  • 一個新的宇宙學爭議
    自哈勃(Edwin Hubble)在近100年前提出以來,關於哈勃常數的精確數值就爭議不斷。,很難估計天體在視線方向上離我們究竟有多遠。這一方法給出的值為0.81,而通過宇宙切變得到的數值為0.76。ΛCDM是現有的對宇宙的最好描述,它是以愛因斯坦的廣義相對論為基礎而發展起來的,描述了宇宙的起源和演化。大量天文學研究都需要依賴於這個模型來對觀測數據進行解釋。
  • 一個新的宇宙學爭議
    它的膨脹速率是由一個重要的常數給出的,那就是哈勃常數。自哈勃在近100年前提出以來,關於哈勃常數的精確數值就爭議不斷。如今,宇宙學雖然已經步入了精確宇宙學的時代,但天文學家仍舊無法對其數值達成一致的意見,因為不同的方法會給出兩個不同的數值。一種解釋這種差異的可能性,是已建立的宇宙學標準模型或許有「裂縫」。
  • 《自然》:扭曲的光的暗示為暗能量的本性提供了線索
    在最新一期的《自然》雜誌上刊登了一篇重要文章,題為:「扭曲的光的暗示為暗能量的本性提供了線索」。宇宙學家認為,一種被稱為「第五元素」的奇特物質可能會加速宇宙的擴張,物理學家說我們的宇宙可能充滿了這種神秘物質。
  • 神奇的宇宙學常數,被愛因斯坦丟進垃圾堆的東西最終又被撿了回來
    我們前面討論過宇宙加速膨脹似乎是由暗能量導致的,但我們並沒有詳細討論暗能量的本質。這一問題的真相是我們實際上還不知道暗能量到底是什麼。但我們有一個最受歡迎的候選者:宇宙學常數(cosmological constant)。這一節我將詳細地講講宇宙學常數。
  • 中國科學家提出宇宙學新模型—新聞—科學網
    中國科學家提出宇宙學新模型
  • 暗能量到底是什麼?在哪裡?有什麼用?
    宇宙模型在目前物理學和天文學研究的前沿領域,引力波、暗物質、暗能量、中微子是最重要的研究方向。在研究宇宙的過程中,天文學家是利用模型思想來做研究的。研究宇宙整體演化的模型被稱為標準宇宙模型。關於廣義相對論,愛因斯坦給出了一個著名的廣義相對論重力場方程,但是當他仔細琢磨這個方程時,他就很納悶,這個方程預示著宇宙正在膨脹。但是愛因斯坦本人一直持有的觀點是宇宙是靜態的。於是,他在方程當中加入了宇宙學常數Λ,把膨脹的效應抵消掉,並提出了他構想的宇宙模型:有限無邊靜態宇宙模型。
  • 現代宇宙學的開端
    為了防止宇宙膨脹而得到靜態宇宙解 ,愛因斯坦在他的方程左邊添加了一個宇宙學常數(用希臘字母 λ 表示),再乘上時空的度規張量g(μν)得到宇宙學常數項,以平衡方程中的其他各項,靜止的宇宙才得以存在。愛因斯坦也為此很糾結,認為引入宇宙學常數完全破壞了他方程的美感,雖然靜態的宇宙得以維持,但他一直覺得不引入 λ 會更好,而且愛因斯坦在他的論文中只是說明了 λ 在數學上的意義,並沒有詳細討論宇宙學常數現實的物理意義。
  • 宇宙中的暗能量,為愛因斯坦洗冤
    在這裡,我們將伴隨大家一起探索宇宙深處的奧秘。宇宙起源,黑洞,蟲洞,多維空間,相對論,量子力學,地外文明,迷失古蹟,不解之謎,科技前沿。從宏觀到微觀,從科技到科幻,我們一一為您呈現!歡迎廣大宇宙愛好者持續關注我們微信平臺!
  • 被愛因斯坦視為最大錯誤的宇宙常數,真的是一個失敗的作品嗎?
    愛因斯坦認為自己一生中最大的錯誤,是宇宙常數Λ,在愛因斯坦看來,這是一個失敗的作品,然而現實卻再度和愛因斯坦開了一個大玩笑。隨著對宇宙認識的深入探索,被愛因斯坦宣告「死刑」的宇宙常數卻在宇宙學中重新復活,科學家認為它蘊含著無窮的價值。這究竟是怎麼回事呢?
  • 一個新的宇宙學爭議:宇宙正以什麼樣的速率在膨脹
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  • 再說一次,愛因斯坦!新研究支持「宇宙常數」
    科學家說,一項對宇宙基本常數之一的新研究使人們對一種流行的暗能量理論產生了懷疑。暗能量是任何賦予宇宙膨脹加速作用的名稱。一種理論預測,最初由阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)提出的,遍布宇宙的不變實體是暗能量的背後。
  • 神秘的暗能量,膨脹的成因?
    從宇宙微波背景的測量中,科學家們已經確定,暗能量佔宇宙的能量密度的68%。無論暗能量是什麼,它必定帶著負壓滲透到空間中導致宇宙膨脹。暗能量被提出的一種形式,稱為宇宙常數,表明其恆定的能量密度均勻填滿所有的空間。該模型從一個詞中借鑑它的名字,這個詞來自於愛因斯坦最初的廣義相對論方程。廣義相對論旨在抵消重力和創建一個靜態的,而不是擴大的宇宙。
  • 宇宙常數,在這一點上,愛因斯坦真的錯了
    常數的行為就好像它是一個具有均勻、正能量密度的場,但也是改變了宇宙的行為負面因素。特別是,一個由宇宙學常數支配的宇宙,會看到你選擇的任何兩點之間的距離,隨著時間以一種特定(指數)的方式增加。愛因斯坦選擇將這兩種效應相互對立:萬有引力的作用是吸引大眾相互靠近,但是宇宙學常數可以把任何兩點分開。通過將宇宙常數調整到正確的值,他可以通過平衡宇宙效應和這個常數來對抗引力。
  • 暗能量不「暗」,研究暗能量或許能夠解釋宇宙的起源與終結
    根據廣義相對論的結論,在大質量天體的附近時空是彎曲的,這個性質是時空的局部性質,廣義相對論的應用可以擴大到研究整個宇宙的整體形態,宇宙學研究宇宙的大尺度結構與形態,用來估算宇宙作為一個整體的曲率與形狀。宇宙是開的還是閉的?
  • 愛因斯坦最大的錯誤,將可能被修正!物理史上最糟糕的理論預測
    事實上,這個宇宙學常數的觀測值和理論預測之間存在巨大差異,這被廣泛認為是物理史上最糟糕的預測,愛因斯坦也為之感嘆!瑞士日內瓦大學理論物理學助理教授盧卡斯·隆布裡瑟將發表一種評估愛因斯坦引力方程的新方法,以便找到與其觀測值接近的宇宙學常數值,該研究方法發表在《物理通訊B》期刊上。宇宙學常數的故事開始於一個多世紀前,當時愛因斯坦提出了一組方程,現在被稱為愛因斯坦場方程式,這成為了愛因斯坦廣義相對論的框架。