果殼周刊|什麼是暗能量?

2020-11-25 果殼中的物理

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暗能量

之前的周刊我們曾經提到暗物質,那麼相應的我們還知道有一種東西叫做暗能量,那麼什麼是暗能量呢?簡單地來說,暗能量是驅動宇宙運動的一種能量。它和暗物質都不會吸收、反射或者輻射光,所以人類無法直接使用現有的技術進行觀測。

比起看不見、摸不著、測不到的暗物質,暗能量更加神秘莫測!畢竟,暗物質跟明物質(普通物質)一樣,都具有引力效應,在人類眼裡還是能夠刷出存在感的。

但是暗能量呢?直到20年前我們才意識到了它的存在。

02

暗能量的發現

暗能量的發現過程極富戲劇性。按照宇宙大爆炸理論,在大爆炸發生之後,隨著時間的推移,宇宙的膨脹速度將因為物質之間的引力作用而逐漸減慢,就像緩慢踩了剎車的汽車一樣。也就是說,距離地球相對遙遠的星系,其膨脹速度應該比那些近的星系慢一些。

但1998年,美國加州大學伯克利分校(UCBerkeley)物理學伯克利國家實驗室(LBNL)高級科學家索爾皮爾姆特(SaulPerlmutter),以及澳大利亞國立大學布賴恩施密特(BrianSchmidt)分別領導的兩個小組,通過觀測發現,那些遙遠的星系正在以越來越快的速度遠離我們。換句話說,宇宙是在加速膨脹,仿佛一輛不斷踩油門的汽車,而不是像此前科學家所預測的那樣處於減速膨脹狀態。

這樣一個完全出乎意料的觀測結果,從根本上動搖了對宇宙的傳統理解。那麼到底是什麼樣的力量,在促使所有的星系或者其他物質加速遠離呢?科學家們將這種與引力相反的斥力來源,稱為「暗能量」。但「暗能量」到底意味著什麼?至今我們能夠給出的,只是一個十分粗略的宇宙結構「金字塔圖景」:所熟悉的世界,即由普通的原子構成的一草一木、山河星月,僅佔整個宇宙的5%,相當於金字塔頂的那一塊。

下面的27%,則為暗物質。這種物質由仍然未知的粒子構成,它們不參與電磁作用,無法用肉眼看到。但其和普通物質一樣,參與引力作用,因此仍可能探測到。作為塔基的68%,則由最為神秘的暗能量構成。它無處不在,無時不在,由於我們對其性質知之甚少,所以科學家還不清楚如何在實驗室中驗證其存在。惟一的手段,仍然是通過天文觀測這種間接手段來了解其奧秘。

03

研究暗物質的意義

暗能量是什麼,它的存在意味著什麼?科學家才剛開始嘗試回答這些問題。暗能量對宇宙整體的作用洩漏了它的行蹤,而人們逐漸意識到,暗能量不僅對整個宇宙有影響,似乎也能操控宇宙的居民,指引恆星、星系和星系團(galaxycluster)的演化進程。雖然以前並沒有意識到暗能量對這些結構的影響,但天文學家們幾十年來一直在研究它們的演化過程。

諷刺的是,暗能量的無處不在,反而讓人們很難意識到它的存在。暗能量與物質不同,它是均勻分布的,不會在某個地方聚集成團。不論是在你家的廚房,還是在星際空間,暗能量的密度都完全一樣,約為10^-26千克/立方米,相當於幾個氫原子的質量。太陽系中所有的暗能量加起來,與一顆小行星的質量差不多,在行星的「舞蹈」中,幾乎起不了作用。只有在巨大的空間尺度上和時間跨度上,才能體現出暗能量的影響力。

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