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各大星系之间存着在一种能量,以至于星系在彼此远离对方

2020/8/2 20:37:07 来源:原创 浏览:

作者:黄姤

不要以为目前的科学探索已经很了解宇宙了,其实目前所有的宇宙知识加起来也只是了解整个宇宙的5%,而这5%里面也还有很多的谜团没有解开,所说的了解是指可以被观测到且可以进行研究的物质,剩下的95%里面有27%被称为“暗物质”。

№1 “暗能量”和目前已知的能量根本不是同一种类型

通过“暗物质”的引力效应推测它是有质量的,但是除了质量之外,目前没有任何办法能观测和研究这种物质,不过还算好起码知道这27%是物质,另外还有68%对我们来说就更是一团迷了,这68%被物理学家们称为“暗能量”。

“暗能量”是一个非常庞大的存在,但是目前还不能对它进行深入的研究,既然尚没清楚“暗能量”到底是什么“能量”,为什么要把它叫“暗能量”呢?它是某种能量吗?既然“暗能量”不是物质也没有引力,对它又一无所知,难道它是被创造出来的一个概念来吗?

不是。

“暗能量”,有一点可以被观测到的,那就是它让宇宙快速地膨胀,这么大比例的一种“能量”,其实对它的发现还是纯属偶然,科学家本来是在试图测量宇宙膨胀减慢的速度,却在无意中发现宇宙的膨胀根本就没有减慢,反倒是在加快。

这个还得从头说起,最早的时候以为宇宙是一直像现在这样的,最起码空间的大小是一直保持不变的,这看上去是一个非常符合直觉的答案,但随着科学的发展告诉我们错误往往就藏在最符合人们直觉的事情里面,直到100多年前,大多数科学家还认为宇宙一直是现在这个样子的,甚至没法想象宇宙居然会变化,但是忽然有一天,天文学家发现了一些有点奇怪的事情,他们测量周围恒星和星系的光,发现所有的天体都在和其他的天体远离,发现这个远离的效应是通过光的红移现象,也就是当一个物体远离我们的时候,我们看到它发出的光线比它实际应该发出的光线要偏向光谱的红色段。

靠近地球的恒星是蓝移,远离地球的则是红移

举例说明:

这里需要明白一点的就是所有的星系都在远离我们,并不代表我们处在宇宙的中心,这就有点像一个气球上面有很多白点,白点越来越大,每一个白点都彼此远离,在任何一个白点上都会发现所有的白点都在远离彼此,但是任何一个白点都不在这个气球的中心。

宇宙膨胀与气球膨胀的原理差不多

既然发现宇宙一直在膨胀,这就意味着它现在要比以前大,如果沿着这个思路继续往回追溯的话,一定能想到,在很久以前的某一个时刻,宇宙一定会非常的小,当时有的物理学家就认为这很荒唐,还给这个宇宙模型取了个名字叫“大爆炸”,结果就是这样一个带有双引号的名称,成了现在宇宙膨胀理论的标准叫法。

天文学家发现宇宙在膨胀是在1931年,这意味着它最初可能是非常小的一个点,把整个宇宙压缩到一个非常小的一点,它的密度会有多大?需要注意的是这个“点”并不是漂浮在某一个更大的空间中,这个“点”里面本身就包含了所有的空间和时间,把这个无限小密度无限大的点叫做“奇点”,在“奇点”之外什么都没有。

№2 宇宙是从膨胀开始的

现在明白宇宙是怎样开始的,但是既然宇宙在膨胀,那它会以怎样的方式来结束呢?

答案藏在4种基本力其中之一里面,也就是“引力”。

当宇宙中所有的东西,彼此远离的时候,引力是朝着相反的方向,也就是朝里的方向起作用的,宇宙中的每一个物质都会被引力拉扯,但这件事对宇宙的最终命运意味着什么呢?

对这个问题的探讨有几个不同的答案,之所以答案不同,完全取决于这个宇宙内部到底有多大的引力,也就是到底有多少物质,这个排列组合也很简单:

  • 第1种:

宇宙中有很多的东西,引力最终会取胜,膨胀会逐渐减慢,所有的东西都会缩回来,这个叫做“大挤压”。

  • 第2种:

宇宙中没有那么多的东西引力没法减慢膨胀,宇宙将会永远膨胀,直到变得越来越稀薄,越来越寒冷。

  • 第3种:

宇宙中恰好有足够多的东西让引力来减慢膨胀,但是宇宙中物质的总量又精确到恰好不足以使它停止并且开始收缩,宇宙会持续膨胀,但是膨胀的速度会越来越慢,逐渐趋近于零,既然宇宙发生了爆炸,目前又没有其他的力,继续把它向外推,只有一个引力把它往回拉。

这3种可能,猜猜这3种可能哪一种猜对的呢?

有时候,物理学就是这么复杂而又简单,其实以上这3种全都不对,正确的答案是......第4种。

第4种:

宇宙正在加速膨胀。

宇宙正在加速膨胀

怎么知道宇宙是在加速膨胀的呢?

只需要和几十亿年前相比其他星系远离的速度是变快了还是变慢了,前提是需要知道在过去星系远离的速度,同时也需要知道现在星系远离的速度,然后(过去和现在)远离的速度进行比较,就能知道答案了。

过去星系远离的速度是多少?调查过去就很容易了,因为宇宙非常大,光速很有限,光需要花很长的时间才能从遥远的地方来到地球,这就意味着看到遥远的恒星,它发出的光是非常古老的,通过这些光看到遥远的过去。如果看到非常远的天体,以某一个速度运动,而近些的天体,以另外一个速度运动,那么就可以推断天体的运动速度是随着时间而改变的。

№3 膨胀参考依据·“Ia型超新星”

如果从望远镜里看它们的光度是一样的,都是一个暗淡的小光点,我们就不可能真的派宇宙飞船飞过去考查它们的距离到底有多远,这种尴尬持续了很多年,直到找出了一种特别的恒星,这种恒星在任何地方都表现得一模一样,这种恒星会以同样的速率变大,达到特定大小的时候,它们会先向内崩塌,然后又产生一个大爆发,这类恒星被称为“Ia型超新星”。

如何区分一颗离我们很近的暗一点的恒星和一颗离我们很远的很亮的恒星呢?

“Ia型超新星”,它最大的用处就是它们一般都是以相同的方式爆发,也就是说经过一定的校准之后,如果看到一颗“Ia型超新星”很暗,那么它一定是距离比较远的,如果看到一颗“Ia型超新星”比较亮,那么它肯定距离是比较近的,这就像在大海中放着很多灯塔,完全可以通过辨别灯塔的明和暗来判断它距离我们的远或近,天文学也就把这种“Ia型超新星”称为“标准烛光”。

知道了“Ia型超新星”距离我们到底有多远,再结合“红移效应”,就能知道这些膨胀远离我们的天体的运动速度,这就意味着能够测量宇宙膨胀的速度,随时间是怎么变化的。


№4 “暗能量”与“宇宙膨胀”存在着不可分割的关系

为了证明宇宙在不断膨胀,当时有两个科学团队展开比赛,看看哪一方先测出宇宙膨胀的速率变化,当时的科学家是根据前面说的前3种猜测来寻找答案,这两支队伍都假设宇宙的膨胀速度或者减慢或者保持不变,结果让他们感到迷惑的是事情恰恰相反,比起过去的恒星,在实际上离我们更近的恒星,它远离我们的速度会更快,换句话说宇宙的膨胀比原来更快了,这让科学家直接推出了一个答案,有某种神秘的力量正在把宇宙中所有的东西向外推,并且它推的这个力量比宇宙中所有的物质加起来所产生的引力还要大。

实际的计算结果显示宇宙膨胀在一开始的时候确实减慢过,但是在最近的50亿年中,宇宙确实是在加速膨胀,科学家把这个使宇宙加速膨胀的驱动力叫做“暗能量”,像“暗物质”一样,我们看不见,“暗能量”又把所有东西都向外推开,所以科学家就把它叫做“暗能量”,通过计算得出了结论,它差不多代表了宇宙中所有物质和能量的68%。

暗能量和暗物质是如何被证实存在的?

除了通过观察一种膨胀速率的变化,来推测暗物质和暗能量的比例,还可以通过观察目前的宇宙结构来判断它们的比例,所看到的宇宙,通过一种特定的布局把行星和星系组织在一起,通过计算机模拟可以从宇宙现在的状态回溯到大爆炸刚刚结束的时候,看一下需要多少暗物质和暗能量才能使宇宙反过来变成现在看到的样子。

如果在模拟中没有设定适当比例的暗物质,那么就不能得到现在所看见的星系形状,它们在模拟中形成的时间也没法和现实情况相对应。暗物质提供的巨大的引力可以帮助普通物质聚集到一起,星系在极早形成的时候必然需要27%的暗物质。

而暗能量又在不断把宇宙往外推,让这个模拟在时间轴上和现实的宇宙吻合到一起,如果在模拟中把暗物质和暗能量混在一起,也就是说假设暗能量不存在,暗物质占95%,也同样没办法在模拟中得到同样的答案。

除此之外可以还有很多其他的方法来计算暗物质和暗能量的比例这里就不一一说了,无论用什么方法来计算,宇宙中“常规物质”、“暗物质”和“暗能量”的比例就是5%,27%和68%。

从宇宙现在的状态回溯到大爆炸刚刚结束的时候

№5 现在已经知道暗能量的比例以及发现方法,但是暗能量到底是什么呢?

目前只知道它是一种是宇宙膨胀的力,但除此之外我们什么都不知道,目前科学界最前沿的观点就是“暗能量”是来自空间本身的能量。

一般认为物质就是空的反面,星系和星系之间有些地方只有空间没有物质,甚至连暗物质都没有,如果在这个空的空间里有能量,这个能量就能提供一种效应把宇宙向外推,这听起来有点荒唐,但其实在科学上还是有一定合理性的,合理性的根据如下:

“量子力学”

在“量子力学”里真空中就存在能量的涨幅,根据量子力学微观上的物体可以做到很多宏观上的物体做不到的事情,比如它们可以拥有不确定的位置,比如在观测它的时候和不观测它的时候,它呈现出不同的样子。

“量子物理”

同样根据“量子物理”,在一个非常小的空间里,粒子可以从能量里突然出现,然后又变回能量,既然连“量子物理”都可以做到这点了,那我们为什么不能接受,看起来空无一物的空间里面实际上充满了可以把宇宙推开的能量呢。

但是这个解释存在一个问题,根据“量子力学”计算空间时应该有多少能量的时候,得到了一个特别大的答案,这个答案比量子力学中应该有的答案大了10的60次方倍也就是“10后面跟着60个0”,估计整个宇宙的粒子数加起来也就是10的85次方倍。这一个计算的结果“10的60次方倍”肯定是有点太离谱了。

对暗能量还有其他的解释,比如渗透到空间里面“新型的力”或者“一种特殊的场”,这一类理论有很多不同的版本,但是它们有一个共同点就是很难验证,比如这些猜想中的作用场有一些不与常规的粒子相互作用,我们就没法探测它们,有些场可能会有一些新的粒子,但是那些粒子质量非常的大,远超我们目前能测量的范围,刚才说的这些理论都处于发展的初期,也可以理解为处于科学的最前沿,既然是最前沿的科学,就没有一个标准的答案。

目前的物理学家并不是一定要先把暗物质搞明白才去研究暗能量,只不过暗能量比起暗物质来说,所知的线索更少而已,去研究暗物质的过程中,一定会有新的突破性的发现,能够反过来影响现实中的常规物质,对暗能量的研究也必然会带来革命性的颠覆性的发现,这肯定是件好事,但是暗能量的存在也带来了一个坏消息,如果宇宙因为暗能量膨胀的越来越快,那么所有的物体都在越来越快的离我们远去,随着膨胀持续加速,宇宙中物体互相远离的速度最终会超过光速。

暗能量演化时间

结语·爱因斯坦的相对论不是禁止宇宙中任何的速度超过光速吗?

严格来说相对论是禁止任何携带信息的速度超过光速,一个物体远离我们的速度是不携带任何信息的,所以它远离我们的速度超过光速这一点并不违反相对论,总有一天恒星的光就再也没法传到地球这里了,能在夜空中看见的星星就一定比以前的要少了。

目前的科学也只发展了几百年,我们只是通过现有的数据来对未来进行推测,说不定有一天宇宙膨胀的速度又变慢了呢,也许在那一天我们还没搞清楚暗能量是什么它就神秘的消失了。

对于我们能正常观测和研究的这5%最常规的物质,同样有一大堆的谜团没有破解,其中一个谜团就是最基本的物质粒子到底是什么?

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我是【黄姤】,95后,天体生物学/帐号创始人,曾经的行政管理员,【科普新星培训营】女学员,今日头条青云计划精选文章获奖者。创作有关(天体生物学领域.太空生物学领域.科学.科技.科研.科普)的文章,欢迎点赞.评论.转发.关注互相学习。

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