愛因斯坦引力方程中的宇宙常數與暗能量的區別是什麼?

2021-01-19 宇宙探索


「從未犯過錯誤的人,也從未嘗試過任何新的事物。」——愛因斯坦

1915年末在愛因斯坦首次提出廣義相對論的時候,這個理論對宇宙時空的革命性構想就遭到了眾多同行的強烈懷疑。而在往後的科學發展中相對論是被人們檢驗和審查最嚴格的理論之一。

廣義相對論改變了我們的宇宙圖景


根據愛因斯坦的說法,牛頓的引力只是一種錯覺。物體之間並沒有真正的相互施加引力,從而導致物體的加速度和動量的變化,而是整個宇宙都存在於一個時空框架中,物質和能量的存在彎曲了時空結構,而彎曲的時空導致物體在運動過程中的路線也發生了改變。


愛因斯坦的理論不僅在重力場較弱時可以簡化為牛頓引力,而且還解決了困擾天文學家和物理學家近50年的水星軌道異常進動問題。在1919年人們對廣義相對論進行了第一次檢驗,觀測到遙遠星光的彎曲度符合廣義相對論的預測(不符合牛頓定律的解釋),至此我們的宇宙圖景發生了革命性的變化。


愛因斯坦的宇宙常數

就是此時,引力方程的一個預測讓愛因斯坦產生了困擾。當時人們認為宇宙是由恆星組成的,其相對均勻的分布在整個宇宙空間中,位置不會發生改變,而且恆星被認為是永恆的,不會隨著時間的推移而發生變化,這就是一個穩恆態的宇宙模型!


但是,這種假象會給愛因斯坦提出了一個非常嚴重的問題:引力方程預測出了一個不穩定的宇宙解!如果有一個大致均勻的、不完美的物質分布,那麼時空就會因為物質的存在發生彎曲。一旦時空發生彎曲,那些比其他區域稍微多一點的物質就會優先吸引越來越多的物質,並隨著時間的推移持續增長!

最終的結果就是,所有這些質量結構的命運,不管它們以什麼形狀開始,最終都會形成一個黑洞!


這顯然不是我們宇宙的實際情況!在愛因斯坦的心理也有一個穩恆態的宇宙,那麼到底發生了什麼?於是愛因斯坦就決定把宇宙穩下來!

他知道引力定律並不會說謊,那麼就一定有什麼東西沒有得到正確的解釋。愛因斯坦推斷,在大的星際尺度上,一定有什麼東西在抵抗著引力。


愛因斯坦提出,空間本身有一種內在能量,稱其為宇宙常數,其對宇宙的穩定負責。宇宙常數會抵消大尺度上的物質引力,並保證宇宙是靜止的。

現代的宇宙常數和愛因斯坦的區別

現在,我們快進100年,看看現代宇宙圖景。


事實上,宇宙並不是靜止的,幾十億年以來一直在膨脹的。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」。


然而,自20世紀90年代末以來,我們已經意識到宇宙確實有一個非零的宇宙常數:那就是我們所說的暗能量,用來解釋宇宙的加速膨脹!


你可能會認為,因為宇宙常數確實存在,而且是非零值,因為空間本身有一種內在的能量,也許愛因斯坦根本就沒有犯錯誤。

但是在物理學中,我們提出了新的理論機制不僅要解釋觀測到的現象,而且還要預測迄今未觀測到的新現象,這才是一個正確的理論物理學需要做到的事情!

但是愛因斯坦的宇宙常數在這兩個方面都完全失敗了。


愛因斯坦的宇宙常數不僅沒有成功地解釋,為什麼我們星系中的恆星保持著大致穩定的結構(因為它們在準穩定的軌道上)而且也沒有預測到宇宙膨脹的現象。如果當時愛因斯坦選擇了膨脹的宇宙解而不是用宇宙常數解來解決宇宙還沒有坍塌成黑洞的問題,那麼這在當時又是一次最偉大的發現!

值得稱道的是,愛因斯坦坦然地向自己和全世界承認,他的解決方案並不正確。即使在今天,回過頭來看,認識到宇宙中確實存在一個宇宙常數/暗能量成分,愛因斯坦仍然是錯的!

在物理或一般科學中,僅僅得到正確的答案是不夠的。你需要以正確的理由得到正確的答案。宇宙常數一直都存在,但它與愛因斯坦提出的宇宙常數存在的理由無關,也不像愛因斯坦提出的那麼大。有時候舊的想法會以新的形式出現來解決新的難題。

這就是愛因斯坦的宇宙常數和現代宇宙常數/暗能量的區別!

總結:現代的暗能量/宇宙常數怎麼來的


上圖是哈勃超深場,為我們揭示的宇宙星系。我們宇宙中包含了數千億個星系向各個方向延伸了大約460億光年。特別值得一提的是,目前有三組偉大的觀測結果可以為我們提供關於宇宙最大尺度的許多信息。


通過對宇宙星系大尺度結構的觀察,我們可以看到宇宙中可見物質是怎樣聚集在一起的,以及物質沒有聚集到的地方。通過將各種已知的參數,例如:正常物質、暗物質、暗能量放入由廣義相對論控制的模型中進行模擬,通過調節各種參數我們就可以模擬出宇宙中的結構應該如何形成。如果模擬和觀測結果吻合,就能告訴我們宇宙中應該有什麼。


通過觀察微波輻射(CMB)中冷熱點的溫度波動,我們可以知道宇宙中物質密度是怎樣分布的(冷點密度高,熱點密度低),以及在宇宙只有38萬年的時候,物質是如何聚集在一起的。

因為光在宇宙存在的138億年裡幾乎一直在傳播(傳播了宇宙歷史的99.997%),所以我們就可以得到關於宇宙在38萬年的時候是什麼樣子的,以及從那以後宇宙是如何膨脹的。溫度的波動模式還告訴了我們宇宙中各種成分的組合情況。


從變星到星系的性質,再到遙遠的超新星,這一切都能幫助我們理解宇宙的距離階梯。並且直接告訴我們宇宙是如何膨脹的,得出來的結論顯而易見,宇宙在加速膨脹。

當這三個數據集結合起來,我們得知宇宙中的物質大約佔了總質能的31-32%(其中85%是暗物質),那麼剩下的68-69%就是暗能量了!


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相關焦點

  • 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
    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。
  • 暗能量會產生引力的嗎?
    暗能量是我們給這個意外現象的未知原因起的名字,有人一定問:暗能量會產生引力嗎?換句話說,隨著空間的擴展,暗能量的增加是否也會產生更大的引力?簡短的回答是「是的」,但並不那麼直觀。讓我們深入了解一下到底發生了什麼。宇宙中的每一種形式的能量,不管它是多麼怪異、奇異或陌生,都遵循著同樣的引力定律:愛因斯坦的廣義相對論。
  • 宇宙常數,在這一點上,愛因斯坦真的錯了
    相反,愛因斯坦的宇宙觀要簡單得多:幾乎完全均勻的物質分布,主要以恆星的形式存在,隨著時間的推移,這種分布保持不變。圖:如果恆星(或光源)宇宙的分布完全一致,那麼在你們看它的任何方向上,你都希望看到什麼。即使如此,最小的缺陷也會導致失控的引力崩潰。你看到問題了嗎?如果愛因斯坦的引力理論廣義相對論是正確的,那麼一個靜止的、統一的宇宙將是不穩定的。
  • 暗能量不「暗」,研究暗能量或許能夠解釋宇宙的起源與終結
    前面我們說了暗物質,今天來說說暗能量。暗能量是什麼,有的朋友可能會說,就算我們的天文觀測已經證實了我們的宇宙中除了看得見的天體之外還有其他的暗物質,你又怎麼能夠知道暗物質有多少呢?更加奇怪的是暗能量又是從哪裡冒出來的呢?
  • 暗能量到底是什麼?在哪裡?有什麼用?
    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。
  • 「暗物質與暗能量系列」暗能量,宇宙命運的主宰
    大家好,暗物質與暗能量系列,這是第二期。上一期,我們討論了暗物質,那麼什麼是暗能量呢?這件事,還要從愛因斯坦這輩子「最大的錯誤」談起。愛因斯坦提出廣義相對論後,利用他自己探索出來的引力場方程對整個宇宙進行了分析。結果他發現,這個方程推導出來的宇宙,是一個並不處於穩態的宇宙。這對於今天的我們來說,是再稀鬆平常不過的「常識」,只要是對宇宙有愛好的朋友,都知道的事實。可是,在那個年代,人們始終還信奉著宇宙完全不變的道理。
  • 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?
    愛因斯坦最大的失誤是如何變成暗能量的關於宇宙常數的故事始於一個多世紀以前,當時愛因斯坦提出了一組方程,現在稱為愛因斯坦場方程,成為他的廣義相對論的框架。 這些方程式解釋了物質和能量如何扭曲空間和時間的結構以產生重力。 當時,愛因斯坦和天文學家都同意,宇宙的大小是固定的,並且星系之間的整體空間沒有改變。
  • 偉大的廣義相對論場方程,卻讓愛因斯坦說犯了一生中最大的錯誤
    當牛頓發現萬有引力定律之後,這種觀點似乎有了理論支撐,如果整個宇宙中均勻地布滿了恆星,那麼在宇宙中的每一點都受到了各個方向相同大小的引力,恆星就可以保持靜止,整個宇宙也是靜止的,平衡的。,宇宙的新圖像需要靠相對論中的場方程來得出。
  • 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?
    1915年,愛因斯坦提出了自己的廣義相對論,並且發表了廣義相對論的核心方程——廣義相對論場方程,愛因斯坦的廣義相對論認為,引力的產生是時空彎曲的結果,水星近日點的進動、光線在太陽附近的偏折等實驗都證明了廣義相對論的正確性。
  • 暗能量與宇宙加速膨脹之謎的歷史
    愛因斯坦 在寫下著名的引力場方程時就意識到這一點 了,即場方 程中確實允許一個常數項存在,這一項等效於空間本身 具有的均勻的能量密度,它的引力即是排斥性的 。宇宙學常數問題宇窗學常數最初是愛因斯坦為 了得到一個靜態宇宙 的模型而提出的。但宇宙並非靜態的,而是膨脹的。愛因 斯坦本可以利用廣義相對論場方程預言宇窗膨脹 ,但由於 他相信宇宙是靜態的而錯失了做出這一重大預言的機會。
  • 暗能量,宇宙的終極「BOSS」?(上)
    正是二者的完美合作,造就了如今所看到的如此波瀾壯闊的宇宙。接下來要面對的一個重要問題則是,什麼是暗能量?一種最簡單的設想就是,在愛因斯坦的引力場方程中引入的一個常數項,被稱為宇宙學常數,也叫做真空能。不過沒多久,哈勃等人發現了宇宙在膨脹,有關靜態宇宙的假定便被天文觀測所排除,愛因斯坦也就放棄了這個常數,並認為這是他「一生中最大的錯誤」。而在近一個世紀之後,當前宇宙加速膨脹的意外發現讓這個常數重新回到人類的視線當中,並被當作暗能量的有力候選者。
  • 愛因斯坦引入宇宙常數到底是不是錯誤的
    在談到愛因斯坦犯下的錯誤時,人們立即想起愛因斯坦(在與喬治·伽莫夫的談話中)所說的他一生中犯下的最大錯誤:宇宙常數的引入。在愛因斯坦完成了他廣義相對論的空間、時間和引力理論的表述之後,他在1917開始考慮整個宇宙的時空結構。然後他遇到了一個問題。
  • 為解釋暗能量,有必要修改廣義相對論的引力理論嗎?
    自從上世紀90年代首次揭示並發現暗能量以來,從宇宙的大尺度結構,從宇宙對其內部恆星的年齡要求,從遙遠超新星的微弱,從宇宙的平坦度和測量的物質密度的結合,科學家們已經知道與我們所說的宇宙學常數驚人地一致:我們可以在愛因斯坦的廣義相對論中,加入一些不違背理論本身核心預言的東西。
  • 「普朗克衛星」是如何報告暗能量的比例的?
    天文觀測資料證實了,宇宙中除了看得見的星體之外,還有其它的暗物質。怎麼能夠知道暗物質有多少呢?更奇怪的是暗能量又是哪兒來的?什麼是暗能量?首先我們簡單來說說暗能量,來源於宇宙加速膨脹的事實,在天文學中估算天體質量時,人們利用的是在引力理論基礎上建立的各種數學模型,無論是行星、恆星、星系、以及各種天文現象都有其對應的數學模型,這些模型便是「稱量」宇宙的稱。
  • 宇宙中的暗能量,為什麼說它是科學界面臨的重大謎團?
    暗能量顛倒了我們對宇宙認知,暗能量主導著宇宙,而我們卻不知道它是什麼。宇宙中有大約七成的能量是暗能量,虛無空間本身的重量等於全宇宙七成的重量。這一比例大約和,覆蓋地球表面的水相當。儘管如此,但我們對暗能量一無所知。
  • 愛因斯坦的廣義相對論講的是什麼?
    這一想法在愛因斯坦大腦中閃過,但是愛因斯坦敏銳的洞察力從中看到廣義相對論,後來愛因斯坦把這個想法閃過時的愉快,稱作他一生中最快樂的時光。愛因斯坦從電梯思想實驗中,悟出了廣義相對論的重要原理——等效原理,指重力場和適當的加速度場是等價的,也可以說「慣性質量等於引力質量」。
  • 宇宙中的暗物質和暗能量是什麼
    要知道什麼是暗能量?首先要搞清楚什麼是暗物質.科學家認為暗物質就是不與現觀察到、發現的物質發生相互作用,但是卻可以觀察引力來判斷他們的存在,就是說暗物質其實是與引力相互作用的,這是為什麼?相對論裡愛因斯坦認為引力是時空彎曲造成的,時空為什麼會彎曲,因為有質量的存在,是質量造成了時空彎曲,因為愛因斯坦的相對論是建立在牛頓力學的基礎上,但也拋棄了牛頓力學的一些基礎。在相對論的框架裡還是離不開物質的質量。不管引力是因為物質之間的相互作用還是時空彎曲,都離不開物質的基礎屬性"質量.
  • 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!
  • 早期的宇宙暴漲和暗能量之間有什麼關聯?
    在暴漲結束後,真空能量衰變到物質中,產生了我們目前標準模型中已知或未知的粒子,這時的宇宙開始呈現出了減速膨脹的狀態,也就是宇宙的膨脹速度一直在下降。直到45億年前,暗能量重新接管宇宙以後,減速膨脹的宇宙又在暗能量的拉扯下開始加速膨脹,那麼問題是:宇宙一開始的指數暴漲和現在的暗能量存在某種程度上的聯繫嗎?這是兩種不同的力量導致的宇宙膨脹嗎?
  • 廣義相對論與弗裡德曼方程有什麼關係?如何理解弗裡德曼方程?
    愛因斯坦的廣義相對論發表於1915年,是現代宇宙學的基礎。廣義相對論可以被應用於整個宇宙,而僅僅是基於一條簡化的假設,即:在宇宙大尺度結構上物質與能量的分布是等價的。愛因斯坦的場方程則可以簡化為宇宙學中最有用的一條——弗裡德曼方程,它的具體形式為:H^2=(8πG/3)ρ-K(c^2/α^2·R^2)。