暗能量科普知識

時間：2021-02-19 13:58:12 科普知識我要投稿

暗能量科普知識

　　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。下面是小編為大家整理的暗能量科普知識，僅供參考，歡迎閱讀。

暗能量科普知識

　　暗能量是所有物理學中最大的謎團之一。

　　根據我們的最佳觀察，宇宙不能僅由物質和輻射構成，而是需要一個與我們所知不一樣的附加成分。它不會結塊或聚集；它沒有我們知道的相關粒子或量子；它似乎在任何地方、任何時間和所有方向都是相同的。盡管我們可以描述它如何影響宇宙，并限制它所不表現出的行為，但是我們仍然不確切知道什么是暗能量。

　　暗能量很可能是世俗的：空間本身固有的一種能量形式，與我們今天所觀察到的一樣，永遠不會改變、發展、增強、減弱或做任何不同的事情。但是，總有可能暗能量比我們通常認為最簡單、最幼稚的實體負責。在我們更好地理解暗能量是什么以及它如何工作之前，我們必須接受一個極其不舒服的可能性：畢竟，暗能量可能會毀滅整個宇宙。

　　如果您想了解暗能量是什么以及它是如何工作的，那么最簡單的起點就是我們觀察到的宇宙的開始：熾熱的大爆炸。在大爆炸的最早瞬間，空間變得異常熱和致密，充滿了巨大的能量、物質、反物質和輻射。但是它也以令人難以置信的快速擴張，以恰當的初始速度平衡了引力的吸引力。就像在一場比賽中那樣思考，所有不同形式的能量都在相互吸引，而最初的膨脹使一切迅速分離。大爆炸是這場比賽的起跑器，您可以立即想象這場比賽可以通過三種方式結束：

　　引力勝了，克服了膨脹，使宇宙在大危機中崩潰了，膨脹獲勝，因為萬有引力無法將事物拉回去，結構飛散，最終以大凍結結束，或兩者完美平衡，因為膨脹率降至零，但再也不會崩潰，因此出現“金發姑娘（“金發姑娘原則”指出，凡事都必須有度，而不能超越極限）”（或嚴重）情況。

　　我們怎么知道宇宙的'最終命運？從理論上講，宇宙的膨脹率必須隨著時間的流逝而變化，受廣義相對論定律的支配。隨著宇宙的膨脹，它的密度降低，并且由于輻射損失能量而冷卻。因此，我們可以通過測量宇宙的膨脹，通過測量來自不同距離的星系發出的光有多嚴重偏移來了解宇宙的膨脹。

　　想象一下，您可以在整個宇宙的歷史中看到一個星系。起初，它的消退速度非常快，但是隨著宇宙膨脹率下降，它似乎會放慢速度。宇宙是否崩潰，將取決于表觀的衰退速度如何隨著時間而放緩。到20世紀90年代后期，我們已經有足夠的數據來整理這些信息，并根據我們對許多星系的觀察來重建一個星系會發生什么。但是他們的發現令人震驚：不僅所有這些情況都是無效的，而且遙遠的星系并沒有因為我們的消退而放慢速度，反而在加速。

　　如果您可以從“大爆炸”開始之初就觀察到一個星系，那么您會發現它從我們的角度迅速消退，然后在我們的消退中減速了70億多年，隨著引力的作用越來越慢努力抵消膨脹。然后，大約在60億年前，該星系將停止減速，轉而再次遠離我們。

　　與廣義相對論和我們收集到的全套數據一致的唯一解釋是：宇宙還有一個附加成分，甚至超出了暗物質、正常物質、中微子、輻射、黑洞和引力波。它不會隨時間變化很大，只有在物質和輻射密度降至臨界值以下時才變得重要。據我們所知，它的行為就像是空間本身固有的一種能量形式：暗能量。

　　如果看起來暗能量，那將對我們宇宙的未來命運產生巨大而深遠的影響。根據其當前的行為，我們被數據吸引來推斷暗能量是一個常數：其能量密度不會隨時間變化。這意味著，隨著宇宙的膨脹和體積的增加，它實際上會獲得能量。（從小范圍來看，違反了能量守恒，但是對于不斷膨脹的宇宙，能量守恒。）

　　如果確實如此，那么我們宇宙的遙遙無期。大約60億年前，在暗能量開始支配宇宙膨脹之前，已經被引力相互束縛的物體將保持束縛，因此銀河系甚至本地集團都是安全的。但是，尺度更大的結構將繼續彼此遠離，并且隨著時間的流逝，它們似乎將越來越快地消失。

　　最終，我們的本地集團將合并為一個巨大的星系，所有其他星系組和星系團也將融合在一起，而它們彼此之間則相互遠離。隨著時間的流逝，它們會加速，因此即使我們以光速發射了航天器，它們也永遠不會到達我們的目的地。令人驚訝和令人不安的是，這已經發生在我們距離超過180億光年的宇宙中的每個星系，據估計，可觀察到的宇宙中有94％的星系。

　　如果暗能量確實是一個常數，那么我們的宇宙將以一場大結局結束，而我們的命運將是一個寒冷而寂寞的命運。不像我們在一開始就提到的“膨脹戰勝萬有引力”方案，但是，膨脹戰果斷地獲勝，而我們等待的時間越長，勝利就越具有決定性。暗能量以這種方式運行有兩個合理的原因，我們不知道哪個（如果有）是正確的：

　　宇宙常數——在廣義相對論中，您可以向理論中添加一個“常數”，該常數會始終影響宇宙的膨脹率。如果此常數為正且不為零，則很容易造成暗能量。量子真空的零點能量——在量子場論中，系統的最低能量狀態（稱為基態）不必為零，而可以為有限的非零值。如果空白空間的基態具有正的有限值，那么這也可能是暗能量的原因。

　　但是，沒有內在的理由將自己限制在這些簡單但沒有想象力的場景中。實際上，如果我們考慮將能量固有于結構的空間這一想法，那么宇宙歷史上還有另一個時間應該發揮重要作用：在宇宙膨脹期間，引發了熱潮。膨脹使宇宙扁平化，并在所有地方賦予其相同的特性，直到（某種程度上（我們不知道確切如何））原始空間結構所固有的能量轉化為粒子和輻射，啟動熱的大爆炸。

　　20多年來，人們一直在猜測膨脹與暗能量之間的可能聯系，其理論將兩者結合在一起，稱為“第五元素”，其他四個元素是土、火、水和空氣。今天，有四種基本力：引力，電磁力和強弱核力。存在第五種基本力量，并使其膨脹并加速宇宙的可能性，是這種精髓思想的現代化身。

　　暗能量的宇宙學常數或零點能量解釋與精粹解釋之間的最大區別在于，前兩者不會隨時間變化，而精粹則可以。實際上，如果精粹的大觀念是正確的，那必然意味著它至少發生了一次變化：從通貨膨脹即將結束之前到炙手可熱的大爆炸開始。而且，如果更改一次，但今天還沒有完全穩定，則可能會再次更改。

　　這種改變的可能性使人們無法預測我們的未來。如果暗能量永遠不是一個完美的常數，那么如果這個假設被證明是錯誤的，那么我們得出的關于宇宙最終命運的任何結論都會改變。盡管我們對暗能量的恒定程度設置了相當好的約束，但它們的高功率率約為10％。美國宇航局即將成立的南希·格雷斯·羅馬天文臺（一種廣域，高功率的哈勃望遠鏡（以前稱為WFIRST））將這些限制提高了十倍，使我們能夠檢測到暗能量中的任何不均勻性，降低到大約1％的水平。

　　如果任其改變，那么對于我們命運的不同，將會出現三種引人入勝的可能性。

　　暗能量可以自發地轉變為低能量狀態。這種稱為真空衰變的事件會自發地改變自然定律/常數，從而破壞我們在亞原子水平上已知的物質。無論這種過渡發生在哪里，它都會影響該空間中的所有事物，并且該過渡應以光速向外傳播。如果它到達了我們，它將摧毀我們，而我們卻看不到它的到來。暗能量可以隨著時間緩慢地逐漸增加（或減少）。

　　如果暗能量隨著時間而變強，空間最終將使其自身分裂，從而導致大裂變場景，從而使原子自身分裂。或者，如果暗能量的強度增加但其符號反轉（從正變負），則宇宙最終將崩潰并以大緊縮結束。暗能量可能會慢慢消失。暗能量可能會緩慢轉換為粒子/反粒子對或輻射，而不是一次全部改變，類似于黑洞最終將如何衰變。這可能會改變我們的命運，使我們回到“臨界宇宙”道路上，隨著最后的暗能量衰減掉，膨脹速度降至零。

　　確實是一個了不起的事實，盡管我們想出了各種不同的方法來測量宇宙中最遙遠的范圍，但它們仍然合在一起。遵循我們知道的物理定律，從一開始就開始，然后在熱大爆炸發生時添加正確的成分——正常物質、暗物質、輻射、中微子和暗能量——您將獲得我們觀察到的宇宙。盡管有大量的獨立方法來測量宇宙，但這張照片仍然是每一張照片的有效解釋。

　　但這并不一定意味著暗能量是我們可以歸為最簡單的東西。這并不意味著暗能量是一個簡單、不變的常數，它有138億年來的某種價值，這個價值永遠不會改變。相反，暗能量可以承擔各種各樣的特性，如果我們想要限制它可以或不能是什么，我們需要卓越的數據和測量。宇宙的未來是可以知道的，但只有相信我們的觀測才能支持。除非它們能足夠好來排除這些替代的可能性，我們不能排除暗能量最終會導致毀滅的可能性。

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