早期的宇宙暴漲和暗能量之間有什麼關聯?

2020-12-05 李論科學

「暴漲過程發生在宇宙誕生後的10^-36 秒~10^-32秒之間。在暴漲結束後,宇宙繼續膨脹,但是膨脹速度則小得多。」——1980年由麻省理工學院(MIT)的科學家阿蘭·固斯(Alan Guth)

現在我們知道,宇宙在大爆炸之前還存在一個特殊的狀態,正是這個狀態創造了熱大爆炸中的一切物質粒子和輻射粒子,也是我們宇宙的真正起源,這個狀態就是宇宙暴漲。

宇宙暴漲發生在宇宙誕生後的10^-36 秒,這時的宇宙空間呈指數膨脹狀態!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?

首先,我們可以肯定地是宇宙目前正在加速膨脹,但它不需要任何形式或者類型的力來這樣做。事實上,當你擁有一個跟我們一樣的宇宙時,這個宇宙是:

受愛因斯坦廣義相對論的支配,充滿了物質、輻射和任何我們未知的「東西」,平均而言,在所有地點和所有方向上,物質分布是大致相同的,這樣一個宇宙就會得出一個有趣而又不舒服的結論。這個結論最早是愛因斯坦本人在相對論的最初幾年裡得出的:這樣的宇宙根本不可能穩定,只要存在稍微的密度不均勻,就會在引力的作用下坍縮。

換句話說,受廣義相對論支配的宇宙是不可能靜止的,這樣的宇宙要麼靜止,要麼擴張,除非你虛構出一種新型的力,使得宇宙保持靜止。

當然,這個時候埃德溫·哈勃還沒有發現宇宙正在膨脹。當時人們除了不知道宇宙膨脹以外,甚至還不知道天空中那些螺旋狀星雲是銀河系中的天體,還是獨立的星系本身。再加之,愛因斯坦和當時大多數人一樣喜歡一個靜態的宇宙,於是他就為自己的引力方程做了一個特別的修正:引入了宇宙常數的概念。

愛因斯坦相對論的核心思想有兩個方面:物質和能量方面,以及時間和空間方面。它說,物質和能量的存在決定了時空的彎曲和演化,而時空彎曲和演化的方式決定了其中每個物質和能量的量子命運。

宇宙常數的增加意味著,有一種新的能量,是空間本身固有的,它使宇宙的結構以恆定的速度膨脹。所以,如果所有的物質和能量產生的引力作用使得宇宙坍縮,那麼這個宇宙常數,就使宇宙膨脹,如果讓這兩個速率相互匹配,並準確的相互抵消,最終就會得到一個靜態的宇宙。

事實證明,我們的宇宙正在膨脹,不需要宇宙常數來抵消引力。相反,宇宙一開始的初始條件就是一直在膨脹,抵消了所有物質和能量產生的引力。宇宙從誕生開始,非但沒有收縮,反而一直在膨脹,只不過膨脹的速度一直以來在很長的一段時間內只是減慢了而已。

宇宙的膨脹是哈勃在20世紀20年代發現的,這個現象發現以後,人們不禁會問這樣兩個問題:

是什麼導致了宇宙在早期開始以如此快的速度膨脹的?宇宙未來的命運將會如何?它會永遠擴張下去嗎?它最終會逆轉並重新坍縮嗎?還是會處在膨脹與收縮的臨界點上?

宇宙一開始為什麼會膨脹,這個問題自從提出後半個多世紀都無人能答,不過當時威廉·德西特(Willem de Sitter)一開始就提出了一個觀點,他認為正是宇宙常數導致了宇宙一開始的膨脹。

最後,在20世紀80年代早期,產生了宇宙膨脹理論,提出了指數膨脹的早期階段,在這個階段,宇宙被某種非常類似於宇宙常數的東西所主宰。

但它不可能是一個真正的宇宙常數(也被稱為真空能量)因為宇宙並沒有永遠保持在這種狀態中。相反,宇宙一開始可能處於一種虛假的真空狀態,在這種狀態中,宇宙自身固有的一些能量隨後衰變為一種低能量狀態,導致物質和輻射的出現,也就是熱大爆炸!

然而,第二個問題關於宇宙的命運,我們發現了一件非常奇怪的事情。我們原以為在宇宙中所有的物質和能量所產生的引力會和初始膨脹率之間有一種簡單的競賽,但我們卻發現了宇宙中還有一種新形式的能量,它導致了現在的宇宙加速膨脹。這相當出乎人們的意料:一種被稱為暗能量的能量。

據我們目前所知,這種暗能量似乎與宇宙常數具有相同的形式和性質。

這兩種指數膨脹,早期的和晚期的,在細節上非常不同:早期宇宙的膨脹期持續了一個不確定的時間(可能短至10^-33秒,也可能長至接近無限)而今天的暗能量主導了宇宙加速膨脹大約60億年。

早期的暴漲狀態非常快,宇宙膨脹率大約是今天的10^50倍。與之形成對比的是,今天的暗能量約佔今天膨脹率的70%。早期的暴漲狀態一定與物質和輻射有某種聯繫。如果量子場論是正確的,那麼在足夠高的能量下,一定存在某種「膨脹」粒子(膨脹子)。晚期的暗能量根本沒有已知的耦合粒子。儘管如此,它們也有一些相似之處。

它們都有相同的(或無法區分的)狀態方程,這意味著宇宙的尺度和時間之間的關係是相同的。它們在能量密度和在廣義相對論中引起的壓強之間有相同的關係。它們都導致了宇宙中同樣的指數膨脹。

但是它們之間有聯繫嗎?這個問題很難說。原因是我們對其中任何一個都不是很了解!我們現在只知道有暗能量的存在,它為宇宙提供了負壓導致目前的宇宙加速碰上,而在暴漲時期,我們認為宇宙受高能量狀態的量子場掌控。

當我們想到宇宙暴漲的時候,可以想像一個2升的汽水瓶。這種高能量狀態就像宇宙暴漲時的狀態。然後發生了一些特別的事情,導致汽水噴出了瓶子,創造了宇宙的低能量狀態。

如果宇宙空間本身保留了一部分早期的能量,也就是說高能暴漲場並沒有下降到零,而是處在某個有限的非零值,那麼早期的暴漲場很可能就是暗能量的來源。

然而,即使我們已經有了很好的觀測和實驗設備(James Webb, WFIRST, LISA和ILC),但是暗能量的來源,以及它和早期宇宙的暴漲場之間的關係,我們也在短期內不會得到答案。

相關焦點

  • 暗物質和暗能量之間有什麼區別?
    像暗物質和暗能量。因此,「黑暗」一詞-並不意味著可能看起來像什麼,而是表明我們理解它的能力上的巨大空白。暗物質和暗能量的絕對難以捉摸可能是它們如此普遍相互混淆的原因。對於所有我們不知道的事物,「黑暗」通常是語言空白。
  • 什麼是暗物質和暗能量?
    什麼是暗能量。但是我們根本感覺不到,因為它們和我們之間除了引力,沒有其他的相互作用。暗物質也有可能是其他各種各樣的候選者,無論它們是什麼,其實在早期宇宙中,暗物質為我們的形成做了很多鋪墊,因為宇宙大尺度結構的形成、星系的形成都與暗物質有關:首先暗物質會凝結成一個雲彩裡邊的凝結核類似的東西,然後在這個凝結核周圍,才形成了宇宙的大尺度結構。
  • 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。圖註:宇宙膨脹圖,宇宙的加速膨脹可以用早期的暗能量模型來解釋。
  • 「早期暗能量」可能是解釋宇宙膨脹速率的其中一塊拼圖!
    如果是這樣的話,早期的暗能量會微妙地影響宇宙微波背景輻射,這就解釋了為什麼科學家們測量到的宇宙膨脹速率要低於預期。未來將會對CMB進行的高解析度觀測可能能夠證明早期暗能量是否真的存在於早期宇宙當中。薇薇安·保林(Vivian Poulin)是這篇新論文的主要作者,同時也是法國國家科學研究中心蒙彼利埃分校的研究人員,她表示:「早期暗能量的作用就是在宇宙大爆炸後約100000年影響宇宙膨脹率,在那個時候,(早期暗能量)有可能佔了宇宙總能量密度的10%。」這種假設的早期暗能量不可能會持續很長時間——可能在幾十萬年後就會衰減完。
  • 暗物質和暗能量有什麼不同呢?
    在物理學,我們經常聽說暗物質和暗能量這兩個詞。但是,事實證明,很多人都把暗物質和暗能量混為一談。同時,它們完全是兩碼事。其中包括引力透鏡(即大型空間物體對光的偏轉)和星系外部區域的異常高的旋轉速度。暗物質是一種物質形式,在電磁波譜中是看不見的,並不向外顯現出來。它僅以一種方式表現出來,那就是引力的相互作用。根據科學家的計算,宇宙的質能中包括了相當多的暗物質,大約佔25%。但遺憾的是,至今仍未發現到它。
  • 暗物質和暗能量是什麼?它們為什麼佔據了百分之95的宇宙?
    剩下百分之95都是由人類根本無法探測的暗物質和暗能量組成。也就是說,我們所體驗到的,所感知到的是現實中非常小的一部分。而我們對於暗物質和暗能量的一切,它們是什麼,它們存在的意義和存在的方式完全沒有任何頭緒。那麼為什麼我們如此確信暗物質和暗能量的存在呢?這是因為,當我們嘗試去測量宇宙的時候,發現宇宙中的物質不可能把如此龐大的空間填滿。
  • 暗能量到底是什麼?在哪裡?有什麼用?
    在這個最新的宇宙模型當中,DCM代表的是暗物質,而Λ是希臘字母,小寫表示方法是λ,讀音是「拉姆達」,代表的是宇宙膨脹的速率變化程度,它其實就和暗能量有關係。那暗能量到底是什麼?在哪裡?有什麼用?今天,我們就來聊一聊這個話題。
  • 暗能量是如何塑造宇宙的?
    這種大範圍的沉寂意味著宇宙中沒有足夠的能量(暗能量或其他)存在。如果暗能量出現一些特別的情況,比如隨時間而變化,其實並不會有很大的影響,因為它已經非常微弱了。是的,暗能量正在加速宇宙的膨脹,但作用很輕微。這也是科學家花了這麼長時間才確定其影響的原因。
  • 究竟什麼是暗物質和暗能量,有什麼理論嗎?
    物質,就像我們知道的那樣; 原子、星星、星系、行星、樹、巖石和我們。 我們已知宇宙中的物質僅僅佔不到5%。大概25%是暗物質;70%是暗能量。這些都是不可視的。這聽上去有點奇怪,因為它意味著我們所見的世界, 只是現實的冰山一角。
  • 什麼是暗能量,暗物質?
    暗能量,暗物質在20世紀90年代早期,有一件事對宇宙的擴張是相當肯定的。它可能具有足夠的能量密度來阻止它的膨脹和重新坍塌,它可能具有如此小的能量密度以至於它永遠不會停止膨脹,但隨著時間的推移,重力肯定會減緩膨脹。當然,沒有觀察到減速,但理論上,宇宙必須放慢速度。宇宙充滿了物質,引力的吸引力將所有物質拉到了一起。
  • 暗能量導致「天人合一」?人與宇宙有共同意識!
    全息理論告訴我們:「宇宙是一個各部分之間全息關聯的統一整體。在宇宙整體中,各子系與系統、系統與宇宙之間全息對應。」宇宙是個大系統,由大大小小的星系團、恆星系、行星系、星體組成。各個星系團、星系又有各自的子系統。
  • 暗能量神秘弱點解釋超新星為何無法湮滅人類
    ,可用於解釋暗能量的神秘弱點。研究報告作者、日本東京大學天文學家Tomonori Totani說:「這是暗能量和天體生物學之間的最新關聯,之前科學家認為這是兩個截然不同的領域。」多數人並不認為暗能量(促使星系分離的全滲透作用力)特別弱,基於量子力學參數和愛因斯坦引力方程式,科學家估計暗能量至少比之前預計強120個數量級。
  • 什麼是暗物質和暗能量
    ,剩下的68.3%則是暗能量,它們是什麼,它們是怎麼被提出的,先說「暗物質」,根據星體以及星系團的運動,由引力定律計算得出,已知可見物質的總質量。與實際觀測的相差很多,於是推測可能有大量的質量我們看不到,但是它又是存在的,於是我們就把它稱作為「暗物質」,這個名詞其實也僅僅是暫時這麼稱呼
  • 什麼是暗物質和暗能量
    則是暗能量,它們是什麼,它們是怎麼被提出的,先說「暗物質」,根據星體以及星系團的運動,由引力定律計算得出,已知可見物質的總質量。與實際觀測的相差很多,於是推測可能有大量的質量我們看不到,但是它又是存在的,於是我們就把它稱作為「暗物質」,這個名詞其實也僅僅是暫時這麼稱呼,因為你不知道它是什麼所以也不好起名字,如果有朝一日搞清楚了它們是什麼,可能會換個更準確的名字,後來又出現了很多其他的支持暗物質的現象,和觀測數據,包括「引力透鏡」效應等等,暗物質存在的這一理論已經被,天文界和物理界廣泛的認可
  • 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?牛頓的引力定律指出,引力是萬物之間的相互作用力,這種作用力隨著物質的質量的變化而變化,愛因斯坦的相對論認為,引力是時空彎曲導致的,也就是物質之間相互作用的引力其實一種時空曲率,不存在物質之間相互拉扯的引力,如果按照牛頓力學來解釋暗物質的存在,明顯說不通,因為物質的基礎屬性就是具備質量,有質量的物質就有引力存在,有引力的存在就要相互作用,但是根據科學家的研究暗物質卻不與我們觀察發現的物質發生作用,因此我們可以說
  • 果殼周刊|什麼是暗能量?
    01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。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。
  • 暗能量到底是什麼?
    上一期,我們聊到了什麼是暗物質,想了解的童鞋,可以戳下面的連結:暗物質到底是什麼?今天,我們來聊一聊:暗能量。那什麼是暗能量呢?上一期,我們也說過,暗物質其實是提供引力作用的,是星系的粘合劑,如果沒有它們,星系將會分崩離析。
  • 導致宇宙大爆炸的最主要原因,和暗能量有關嗎?
    如果暗能量現在做了一些時髦的事情,比如隨著時間的推移而改變,那就不會有太大的影響,因為暗能量已經非常微弱了。是的,它正在加速宇宙的膨脹,但只是溫和的,這就是為什麼我們花了這麼長時間才首先確定它的影響。這一弱點限制了暗能量今天能做什麼,也限制了我們對它的了解;宇宙學家就是沒有太多的影響來測量。但早期的宇宙更熱、更密集、更緊湊,最特別的是,更有活力。
  • 暗物質與暗能量的「愛恨情仇」,它們究竟有何關係,又有何不同?
    暗物質和暗能量我們都分別介紹了。那麼,它們兩個之間,有什麼共同點和不同點呢?首先,它們的共同點是顯而易見的,那就是都與我們可見的物質幾乎沒有相互作用。正是這個原因,導致我們無從觀測它們。它們不與光子作用,因此我們肉眼看不見;它們也不發生電磁作用(當然光也屬於電磁波),因此包括X射線,γ射線、紅外線、紫外線在內的各種電磁波也探測不到。
  • 當暗物質和暗能量被創造出來的時候,它們都在哪裡?
    我們將缺失的成分稱為暗能量(68%)和暗物質(27%),但我們不知道它們是什麼。我們甚至知道他們何時成立?那就是Alon David想知道的,問:今天[正常物質]僅為4.9%,而暗物質和暗能量則佔據其餘部分。哪兒來的呢?讓我們來看看。