我們都知道,宇宙於137億年前,從一聲爆炸開始,起初一切都是熱的、稠密的、膨脹的。
大爆炸餘輝的溫度曾經超過10^30度,現在下降到2.7開爾文,僅略高於絕對零度。宇宙過去的密度比太陽的中心還要大。現在,平均而言,宇宙的密度僅為每立方米1個質子,質量聚集成恆星和星系,它們之間相隔數萬億裡。
但是,儘管如此,宇宙仍然在膨脹。令人驚奇的是,儘管所有的因素都可能導致膨脹,但膨脹率只取決於一個因素。知道是什麼嗎?
宇宙的能量密度。或者,換句話說,整個宇宙中物質、輻射、中微子和所有其他形式的能量的總量除以宇宙的體積。而能量密度是唯一決定宇宙膨脹速度的因素。
那麼是什麼原因?
首先,宇宙可能以三種方式之一存在。它可以像球體一樣彎曲(我們稱之為正的),像馬鞍一樣彎曲(我們稱之為負的),或者完全平坦(我們稱之為零曲率)。
如果宇宙是正彎或負彎,那麼空間中三角形的三個角加起來就不等於180度!曲率的存在會極大地改變膨脹率。儘管通貨膨脹可能解釋了其中的原因,但對我們來說,什麼都沒有仍然是一個謎。
膨脹率依賴於能量密度這一事實意味著:在宇宙的不同時期,不同的東西是重要的。想想這個:如果你有一個宇宙,體積翻倍,物質密度減半。對吧?同樣的質量,兩倍的體積,所以密度是一半。
但是輻射——像光這樣的東西——不僅像物質一樣被稀釋,還會發生紅移,這意味著它的能量密度下降得比物質更快。所以當宇宙非常年輕,非常熱,非常密集的時候,輻射比物質更重要!
隨著宇宙的冷卻,物質變得越來越重要,並主宰了數十億年的膨脹速度。但宇宙中還有別的東西,它不會隨著空間的膨脹而稀釋。似乎空間本身有一種固有的能量,這就是我們所說的暗能量。有人稱之為宇宙常數。
為什麼不變?因為它的能量密度從不下降。就在幾十億年前,暗能量成為宇宙中最主要的能量形式。物質密度會降低,但暗能量永遠不會。如果我們把它們都分在一起——輻射、物質和暗能量——你就會看到哪個主導了宇宙的膨脹速度。
就是這樣。這就是導致宇宙膨脹的所有原因:其中的總能量。從這裡到無窮遠,據我們所知,暗能量將繼續主宰宇宙。