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宇宙加速膨脹范文1

關鍵詞 宇宙起源；太初世界；始粒子；爆炸；大膨脹

中圖分類號P15 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2012）68-0098-02

0 引言

宇宙是空間、時間、物質和能量構成的統一體，它從何而來，有多大，如何演化，求知的欲望迫使人類在不停地探索。從古代的神話傳說到地心說、日心說和著名物理學家勒梅特、伽莫夫提出的宇宙大爆炸理論。人類對宇宙的認識越來越深刻，特別是近百年來，隨著科學技術的進步，通過望遠鏡我們可以看到100多億光年的天體，看到數千億的星系，能從更深的領域、層次和科學的角度去探索宇宙的奧秘。目前，大多數的人都同意宇宙大爆炸理論，但仍存在很多讓人迷惑的地方，如奇點的產生和大爆炸，反物質是什么，暗物質和暗能量之秘等。宇宙大膨脹假設是宇宙起源的另一種解釋，該假設對宇宙的誕生、宇宙加速膨脹等提出了不同的觀點，為我們探索宇宙打開了一扇新的窗子。

1 宇宙的起源

宇宙大膨脹假設認為在宇宙誕生之前是太初世界，太初世界無限大，空無一物，沒有物質、沒有能量、沒有光、沒有溫度、沒有時間，是一切都為零的世界。由于太初世界什么也沒有，要討論太初世界空間有多大，存在多長時間是無意義的，如果真要定個大小和時間，那就是無限大和無窮長。我們的宇宙將在太初世界中誕生。

宇宙的誕生開始于在太初世界出現了物質，物質的產生經過了漫長的等待，是在偶然情況下出現的，這雖然是一個偶然事件，但是從太初世界存在時間的無窮長和空間上的無限大來看，物質的出現是必然的。由于在太初世界要產生物質是非常困難的，因此最初產生的物質結構非常簡單和弱小，它的大小可能只有一個粒子大，或者比粒子還要小，所擁用的能量也非常的微弱。可把它叫做始粒子，始粒子的出現是宇宙從無到有的開端。

始粒子雖然很微小，但對于一切為零的太初世界，再小也是無限的大，它在太初世界中不可能平靜的存在，它出現后隨即在太初世界發生激烈反應而發生爆炸。始粒子在太初世界的爆炸和目前已知的爆炸完全不同，爆炸將始粒子撕裂，分裂成多種物質，物質有正物質和反物質，正反物質產生后不是簡單的相互湮滅，而是向四周擴散，這些物質進入太初世界，發生新的爆炸，產生更多的物質。物質進入到太初世界再發生爆炸，爆炸產生更多的物質進入太初世界而引發了連續不斷的爆炸并產生更多的物質。每次爆炸后，未進入太初世界而進入宇宙空間的物質間發生著相互作用和變化，隨著溫度的降低，形成能量、氫元素氦元素等，隨著溫度的進一步下降，演化形成恒星，再經過一系列的演化，從而組成星系。爆炸從宇宙誕生時一直在持續著，經過了上百億年，目前我們的宇宙邊緣仍在爆炸，宇宙在永不停息地爆炸和膨脹，產生更多的物質，形成無數的星系，現在宇宙已形成了上千億的星系。

2 膨脹中的宇宙

大膨脹假設認為宇宙加速膨脹的原因是是物質進入太初世界引發連續爆炸，經過無數次爆炸的加速使宇宙加速膨脹，沒有暗能量的存在。

始粒子的爆炸產生了第一批的新物質，這批新物質以始粒子所在位置為球心向外運動并爆炸，宇宙從一開始就在膨脹。而后，連續的爆炸形成大量物質向各個方向擴散，向外擴散進入太初世界的物質在爆炸的作用下加速運動并引發下一次的爆炸，每一次爆炸都使向外運動的物質加速，從而使宇宙在不斷加速膨脹，膨脹的速度有可能會超過光速。

而每一次爆炸后向內進入宇宙世界的物質組成了宇宙中的物質。因為爆炸是在向外加速運動中發生的，所以這些物質也在向外加速膨脹，但膨脹的速度低于宇宙膨脹的速度。

根據科學家的研究，另外一個影響宇宙膨脹速度的是重力，它會減低宇宙的膨脹速度。早期宇宙形成的物質受重力影響時間長，膨脹速度慢一些，而在宇宙后期形成的物質受重力影響時間短，膨脹速度相對要快一些。

3 宇宙的物質

始粒子出現后，隨著不斷的爆炸，宇宙有了物質、能量、空間、溫度和時間等。同時宇宙空間在不斷的膨脹增大，時間經過了上百億年。物質的數量在增加并通過相互作用在發生演化。

在持續的爆炸中產生的物質和能量在宇宙中相互作用，有的相互湮滅，有的生成質子、電子、中子等一些基本粒子形態的物質。而后隨著溫暖降低，中子與質子結合形成最簡單的氫元素和氦元素，氫元素和氦元素目前是占宇宙物質總量的99%以上。其它化學元素的形成是通過恒星不同演化的八個階段而合成的，即霍伊爾和伯比奇夫婦、福勒四人提出的B2FH理論。化學元素生成之后，隨著溫度的進一步降低，氣態物質逐漸凝聚成氣云，而后逐漸形成各種各樣的恒星體系。

從始粒子出現后，宇宙以始粒子所在位置為球心向外連續爆炸并膨脹，空間不斷擴大。由于爆炸是連續性的，早期爆炸生成的物質演化成大量星系，而后期爆炸生成的物質由于距爆炸后時間較短，物質間相互作用的時間短，還處在星系形成的早期，尚未形成星體或者是數量稀少。如果把宇宙看成一個氣球，這個氣球在膨脹，氣球的中心星體較多，由中心向外星體越來越少，因此從觀測中發現宇宙深處星體較為稀少。

4 宇宙大膨脹的證據

宇宙大膨脹的最直接的證據是能觀測到宇宙邊緣物質在太初世界的爆炸。但由于宇宙膨脹的速度太快，可能超過光速，在膨脹速度大于等于光速的情況下，在任何天體上都不可能觀測到物質在太初世界爆炸的圖像，而要在實驗室模擬太初世界環境，制造爆炸，目前還做不到。這樣宇宙大膨脹的只能通過觀測的證據來證明。

哈勃定律是著名天文學家哈勃經過多年觀測得出的定律，是指河外星系的視向退行速度與距離成正比，即距離越遠，遠離我們的速度越快，宇宙在加速膨脹。大膨脹假設認為這是因為宇宙在連續爆炸和加速的膨脹過程中，物質不斷加速運動導致距離越遠的恒星遠離的速度越快。

宇宙微波背景輻射是兩位美國科學家彭齊亞斯和威爾遜發現的宇宙背景輻射，這是一種充滿整個宇宙、來自宇宙空間背景上的各向同性的微波輻射，溫度為3K。宇宙大膨脹假設認為微波背景輻射是宇宙物質在太初世界發生連續爆炸后遺留的。物質進入太初世界發生的爆炸具有相同屬性，每次爆炸都產生相同的溫度，從而在觀測中發現宇宙微波背景輻射。近來的測量表明，背景微波輻射在宇宙中有0.1%的變化。這是由于宇宙空間太大，爆炸雖然屬性相同，但因爆炸的時間和區域的不同產生了一定強弱。另外在宇宙的演化過程中微波輻射也會受到波動，這就有了背景微波輻射在宇宙中有0.1%的變化。還有科學家們在分析了宇宙中一個遙遠的氣體云在數十億年前從一個類星體中吸收的光線后發現，其溫度確實比現在的宇宙溫度要高，背景溫度約為-263. 89℃，比現在測量的-273.33的宇宙溫度要高。宇宙大膨脹假設認為這是因為爆炸是連續性的，早爆炸的區域溫度下降經過了很長時間，降到了低點，后爆炸的區域由于時間短，溫度還沒降到低點，溫度相對較高。

目前科學家的研究發現宇宙中的元素氫和氦占據了99.99%。宇宙大膨脹假設認為這是物質在太初世界中發生連續的爆炸，每一次的爆炸強度和性質是相同的，所生成的物質、溫度相同，經過一系列的反應最終形成氫和氦。而更重的碳、氧、硅、鐵等元素是在恒星的演變過成中合成的。

5 結論

宇宙大膨脹假設是在大爆炸理論基礎上設想出來的，它們的共同之處在于宇宙不是穩恒態的，由非常小的尺寸爆炸膨脹而成的，爆炸產生了物質、能量、空間、時間、溫度等，目前宇宙仍在加速膨脹中。不同之處主要在于大爆炸理論認為宇宙是密度極大、溫度極高的奇點爆炸而誕生，爆炸時間非常長，目前宇宙仍在爆炸的過程中。大膨脹假設認為宇宙由非常微弱的始粒子出現后引發爆炸而誕生，爆炸由中心向外連續發生，每一次爆炸時間很短，爆炸的位置在宇宙邊緣物質與太初世界交匯處，經過膨脹到達今天的狀態。

宇宙大膨脹是宇宙起源的另一種假設，對宇宙起源的提出了新的解釋，特別是始粒子的提出相比大爆炸理論的奇點讓人更容易理解。但是此假設還存在很多問題和疑問，如物質在太初世界如何爆炸、宇宙如何膨脹、暗物質之秘、宇宙的未來等需要我們進一步的深入探索。

參考文獻

[1]史蒂芬·霍金著.果殼中的宇宙[M].吳忠超，譯.湖南：湖南科學技術出版社，2008.

宇宙加速膨脹范文2

天文工作者首先發現銀河系以外的星系離我們愈遠，其紅移值愈大。根據我們對聲波多普勒現象的認識，人們便自然聯想到星系是否在飛離我們，而且離我們愈遠的星系其飛離的速度也愈大。問題的推演到此并沒有結束，如果所有的星系現在都在飛離我們，那么在一個久遠的過去，這些星系是否應該聚集到一個點？于是，我們的宇宙是由一個點經過一次大爆炸，隨后又不斷膨脹而產生的觀點便這樣順理成章地出現了。之后天文學領域中若干新的觀測結果，如宇宙背景輻射等更進一步證實了大爆炸宇宙學觀點。但是，事實真的如大爆炸宇宙學理論所解釋的那樣嗎？筆者的回答則是完全否定的。

其一，宇宙空間不可能發生膨脹。

既然宇宙是由所謂大爆炸產生的，人們首先就會提出這樣的問題：宇宙空間真的能夠膨脹嗎？為了回答這個問題，我們不妨先搞清楚什么是人們所說的宇宙空間。大家知道，科學的時空觀認為，空間和時間一樣，都是運動物質存在的一種基本形式，而所謂空間則是指運動物質的廣延性。但由于物質在真實三維空間中運動的無限性，決定了運動物質的廣延性也必然是無限的。這似乎可以與現在人們認為物質引力所及范圍是無限的相類似（雖然物質引力傳輸的距離未必是無限的），所不同的是空間僅僅是運動物質的一種存在形式，而存在形式的范圍所及是不需要任何傳播過程的。也就是說，只要有物質的存在，空間也必然同時存在。但引力的傳輸則必須依靠物質的引力子，其傳播速度也必將受到光速的限制。由此，我們就不難得到一個明確的結論：宇宙空間與物質是同時存在的，本來就是無限的，因此也根本不存在所謂空間膨脹這一大爆炸理論所設定的命題。

不僅如此，我們還可以從另一個角度來證明空間并未發生所謂的大爆炸。按照大爆炸理論，離我們愈遠的空間飛離我們的速度也愈快（而且還在加速）。當然，被該空間攜帶的星系飛離我們的速度也愈快。而根據狹義相對論，當星系飛離的速度愈接近光速，則其質量也就愈大。計算表明，當星系相對地球的 速度為0.9倍光速時，該星系的質量為其靜止質量的約2.3倍；當速度增加到0.999倍光速時，該星系的質量則激增至其靜止質量的22.4倍。顯然，其速度趨近光速，則其質量趨于無窮大。現今，按照大爆炸理論給出的最新哈勃常數和宇宙半徑計算，飛離我們最快的星系速度即使達不到超光速至少也應該無限接近光速了。在這種情況下，星系在數十萬倍增加的物質引力的作用下，最終引發星系劇烈塌縮并生成黑洞則是完全可以預期的。當然，這樣的黑洞我們很難觀測到。但就銀河系內相對足夠遙遠的星系來說，其飛離速度也應該趨于光速，因此銀河系的質量也理應趨于無窮大。但是，實際情況并非如此，我們周圍的一切都很正常。我們總不能設想，我們面前的任何一個物體，其實際靜止質量真的趨于無窮小吧？

現實的狀況與大爆炸理論的邏輯結果為什么會有如此大的差別呢？最簡單的答案是：要么是狹義相對論出了問題，要么就是并不存在所謂宇宙空間的膨脹，更不要說什么近（超）光速的膨脹了。

大爆炸理論的支持者也考慮到了這種情況，于是他們堅持說，星系只是被空間攜帶著，而相對于空間并沒有運動，因此也就不會發生所謂狹義相對論的問題。筆者認為，這其實是一種自欺欺人的說法。設想在一條加速流動的河水中，上下游A、B兩點分別有一條無動力小船在漂流著。一般來講，小船相對于船底的水流并無相對運動，但毋庸置疑的是，A、B兩點的水流是有相對速度的。因此，無論將坐標系原點選在哪里，兩條船間有相對速度也是不可否認的。當這兩個點水流的相對速度超過光速時，兩條船的相對速度必定也會超過光速。

其二，宇宙空間的驅動源是什么？

退一步說，如果空間真的可能膨脹，那由此會產生更多的問題。人們首先要問的就是：空間是因什么力量膨脹的？

據說，宇宙的大爆炸經歷了兩個主要階段：其一是自旋為零的標量場（也就是所謂的暴脹子）造就了普朗克尺度宇宙（簡稱微宇宙）的暴脹；其二則是由所謂暗能量驅動宇宙空間發生了后來的熱大爆炸。

根據大爆炸理論，從宇宙大爆炸開始后的1E-36秒～1E-34秒，微宇宙以指數增長的速率急劇膨脹。在這極短的一瞬間，微宇宙竟由一個極小尺度的球（他們給出的數據相差極大，從1E-33厘米到3E-25厘米）脹大到幾毫米甚至10厘米的大小，其膨脹速度竟達到幾億億億倍光速。這就是有名的暴脹理論，它認為暴脹的基本動力源就是標量場的再次量子漲落。“當宇宙仍如普朗克長度那么大時，如果給它一個猛烈的向外推動（其作用猶如反引力），就會促使微宇宙發生暴脹。”（《大宇宙百科全書》。）而這個“猛烈的向外推動”正是由于標量場的再次量子漲落才得以實現的。

但是，人們要問的是，這些自旋為零的標量場是從哪里來的？事實上，即使量子理論，其基本粒子的標準模型中也沒有大爆炸理論所需要的標量場，即由自旋為零的介子所構成的場。該理論的標準看法是，在暴脹前的大統一時期，存在著大統一的原始力。而按照大爆炸理論，那些構成自旋為零的介子的夸克，也只是在所謂的暴脹中才被生成的。當然在暴脹之前，由這類自旋為零的介子構成的所謂標量場也不可能存在。不過也有人說，暴脹前還存在著自旋為零的希格斯粒子（或希格斯場）。很多人認為，現有已知的60余種基本粒子中，有質量的粒子其質量都是從希格斯場中獲得的。但遺憾的是：①認為希格斯粒子必定存在的希格斯本人，卻并沒有賦予希格斯場推動宇宙空間急劇暴脹的特殊功能；②標量場即使存在，但它又是如何以“猛烈的向外推動”來推動空間以極其巨大的超光速暴脹的。顯然，在大爆炸理論中對于空間如何暴脹（包括后來所謂的熱大爆炸）的機制，從來沒有做出過任何解釋或是猜測。

再說暗能量。對于大爆炸理論來說，這無疑是一種極為重要的促使宇宙空間繼續膨脹的斥力源。但是，大爆炸理論對在宇宙大爆炸中物質如何產生進行了十分詳盡的描述，但時至今日，卻沒有對暗能量（包括暗物質）是如何生成的做過任何說明或是猜測。也就是說，在他們創生的宇宙中，原本就沒有暗能量和暗物質的地位，只是后來因為該理論的需要才提出這個所謂的暗能量（及暗物質）問題。

大爆炸理論認為，在熱大爆炸的初期，暗能量的斥力遠不如物質引力強，所以這時的宇宙空間只能依靠暴脹的余威在做減速膨脹。只是在宇宙空間的尺度大到足夠程度時（宇宙半徑三四十億光年），宇宙空間會因為暗能量斥力逐漸超過物質引力開始由減速膨脹轉為加速膨脹。這里就出現了一個奇怪的問題：暗能量在宇宙誕生之初其能量密度顯然就低于物質的引力能密度。因此，隨著空間的膨脹，二者的能量密度理應隨之同時降低，仍然保持引力能密度大于暗能量密度的狀態。但是，為了實現宇宙空間的加速膨脹，大爆炸理論卻告訴我們在引力能密度下降的同時，暗能量密度卻始終精確地保持為一個常值。

事實真的是這樣嗎？首先讓我們聽聽大爆炸理論是如何解釋這個問題的吧！解釋一，他們認為新膨脹出來的空間本身就包含著能量，即所謂的真空能（零點能）或暗能量，而且膨脹出來的單位空間中所含的暗能量又與原單位空間含有的暗能量精確相等。因為只有滿足這個條件，才可能保證暗能量的能量密度不隨宇宙空間膨脹稀釋而始終保持一個恒定值。但這種解釋又意味著什么呢？其一，能量可以無中生有，或者說能量守恒定律在這里已經完全失效；其二，新膨脹出來的空間中還必須只創生出暗能量，而不能同時創生出物質。因為物質如果與暗能量同步等量創生，則暗能量斥力就永遠無法戰勝物質引力了。解釋二，有一段奇文很能代表大爆炸理論中的另一種觀點：“真空能量的張力很強，因此它會緊抓著空間，不讓宇宙擴張。換句話說，和輻射相反，宇宙擴張會將能量傳給真空能量，讓它的張力越來越強。雖然真空能量會因宇宙擴張被稀釋，但其張力卻增強。這兩種效應抵消之下，產生了一個特異的結果：常數的能量密度維持定值，不受宇宙擴張影響！”（《比光速還快》。）

現在，我們就試著對這段奇一點分析。第一，文章開宗明義地指出，真空能量的張力很強，會“不讓宇宙擴張”，接著又明確告訴我們“宇宙擴張會將能量傳給真空能量，讓它的張力越來越強”。這就是說原來驅動宇宙空間膨脹的真空能量，在這里反倒成了不讓空間膨脹的阻力。第二，阻止空間膨脹的張力增強了，而暗能量的能量密度又稀釋了，宇宙空間將如何完成由減速膨脹到加速膨脹的轉換呢？原文認為，張力增強和暗能量稀釋這兩種效應竟然會相互抵消，保持能量密度維持定值不變。但是，與宇宙半徑的立方成反比關系的能量密度是一個標量，而張力則是與宇宙半徑成正比的一個矢量。更何況，暗能量密度稀釋和張力增強都會阻止空間膨脹，二者又怎么可能相互抵消并保持暗能量的能量密度不變呢？第三，該理論認為宇宙擴張會將能量傳給真空能量，這更是一種毫無根據的說法。根據能量守恒定律，真空能量只能在驅動宇宙空間膨脹的過程中不斷被消耗。但原文說宇宙空間會反過來將能量又傳給真空能量，這恐怕就如同說火箭推進劑燃燒推動火箭運動，而火箭運動又會將能量傳給燃燒著的推進劑一樣不可思議。在大爆炸理論中，宇宙的膨脹竟然變成了現代版的永動機系統！

其三，宇宙空間是如何膨脹的？

再退一步講，我們姑且承認上述空間膨脹驅動源真的存在。那么，驅動源又是如何驅動空間膨脹甚至暴脹的呢？對此問題可能有兩種答案：①如科學時空觀所描述的那樣，物質的運動決定了空間運動，因此是零旋粒子或暴脹子猛烈地向外運動產生了對空間的推動，但粒子本身的速度是受到光速限制的，因此無論粒子如何漲落，暴脹的速度都不可能超過光速。因此說空間的膨脹速度可以不受光速的限制，顯然是沒有任何根據的。②量子漲落本身就是一種巨大的能量或能量場存儲著的一種勢能。但遺憾的是，所謂空間只是物質客體存在的廣延性，或是運動著的物質存在形式的一種。試問，量子漲落或存儲的勢能怎么可能去猛烈向外推動物質的廣延性或物質的存在形式呢？這就好比一個點亮的燈泡，將燈泡視為物質，其光輻射視為廣延性。當我們移動燈泡時，光輻射會隨著移動。但我們不可能去移動光輻射，更不能用移動光輻射的辦法去移動燈泡。

根據相關的引力理論計算，所謂大爆炸產生的宇宙始終是一個強引力場。暴脹后，宇宙中的全部物質已經生成（其實有觀點認為，暴脹前就已經存在諸如磁單極子、X玻色子之類的物質粒子），其引力半徑也就被確定（約1.5億光年）。而引力半徑與系統最大尺度范圍之比我們稱為系數K，常被用來表示系統的穩定性，過大的K值則表示系統會在強大的物質引力的作用下發生塌縮。不過大爆炸的宇宙卻十分神奇，暴脹時，其K值近于無窮大但卻能以超光速膨脹，一直到產生所謂宇宙背景輻射時，宇宙仍有一個很高的K值。這樣的系統似乎也應該在引力的作用下強烈收縮成超大黑洞，或者又回到微宇宙的時代。

但這樣的情況并沒有發生。大爆炸理論對此辯解說：“……以致引力即使現在已經能夠快速發揮其將一切東西拉回到大崩塌的作用，也需要經數千億年先制止膨脹，然后才能使其反轉。”（《大宇宙百科全書》。）但真實的情況并非如此。按照大爆炸論者的觀點，物質粒子只是被空間攜帶著，相對于空間并沒有運動，那么這些被攜帶的粒子是否具有動量呢？如果沒有動量，這些粒子在超強引力的作用下必將在極短的瞬間被消滅于無形。因此，物質粒子也必然具有動量。如果物質粒子和空間暴脹一樣，具有百萬億億倍光速的速度，我們則可以根據大爆炸論者給出的數據做一個簡單的計算：暴脹結束時宇宙的尺度約10厘米，物質粒子的末速度約為1E22倍光速，引力質量僅計算物質，約為0.08E52千克，再考慮到粒子動量與引力作用于粒子的外沖量最終實現平衡，結果表明，在不到1.4E-12秒的時間內，暴脹的余威就消耗殆盡。如果對暴脹之初進行同樣的計算，其時宇宙的尺度僅略大于普朗克長度；暴脹提供的物質粒子總質量應該極少，物質粒子的初速度與普朗克時期末的速度大體一致（約為1倍光速）。根據這些數據，則計算的結果更加令人吃驚———粒子動量與外沖量達到平衡的時間竟遠不到1E-40秒。也就是說暴脹剛開始，就已經被自己創生的物質引力所消滅，暴脹尚且無法實現，當然也就更不可能為后來的熱大爆炸提供初期的驅動力了。加之熱大爆炸初期，暗能量的反引力（斥力）又遠弱于物質引力，那么宇宙空間的熱大爆炸又怎么可能實現呢？當然也就更不可能發生繼續膨脹數千億年的奇跡了！

其四，宇宙只能要么膨脹、要么收縮嗎？

正如我們在前面已經指出的那樣，宇宙空間不可能在宇宙常數或物質引力的直接作用下發生膨脹或收縮，除非它們排斥或吸引的是空間中的物質。宇宙間的物質在宇宙常數的斥力及物質本身引力的共同作用下，可能會獲得暫時的平衡。但是這樣一個暫時平衡的宇宙顯然是不穩定的，因為只要有一個適當的擾動，宇宙就可能失去平衡，物質會在斥力或引力的作用下要么飛散，要么聚攏。但這一分析卻只能適用于大爆炸產生的尺度有限的宇宙。可是如果宇宙空間是無限的呢？如下的結論應該是可以被我們接受的：在一個無限均勻且各向同性的空間中，任意一點在任何方向上所受到的物質引力或暗能量（如果真的存在的話）斥力雖然均為無窮大，但其合引力或合斥力卻都必將為零。正因如此，所有的星系才可能自由自在地懸浮于這個廣袤無垠的宇宙空間之中。也正是這樣的宇宙才可能是一個真正沒有中心的宇宙，才會是一個總體上既不會發生塌縮也不會發生膨脹的宇宙。

其實，宇宙空間的特性到底是什

宇宙加速膨脹范文3

暗能量在宇宙中更像是一種背景，讓人根本感覺不到它的存在，但它確實存在，且起著非同一般的作用。有人把暗能量稱為“真空能”。20世紀20、30年代，就有科學家認為真空不空，只是物理的探測儀器探測不到“真空”中并非真的什么都沒有。

愛因斯坦的“宇宙常數”

對暗能量理論上的猜測可追溯到愛因斯坦年代，1915年愛因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）提出了廣義相對論，這是自牛頓時代以來第一次出現的重力理論。1917年，他將廣義相對論公式應用到整個宇宙，想看看能否獲得對宇宙本質的新認識。世界上的物理學家、數學家隨即開始解其中的引力方程，方程有兩種解，結論是宇宙不會完全靜止、宇宙沒有靜止點。

方程的第一種解是，如果宇宙只存在引力，沒有別的力作用的話，出于相互吸引，宇宙不可能靜止；方程的另一種解是，宇宙爆炸的那一瞬間獲得了一個初速度，向外膨脹，但由于引力作用往回拉，宇宙肯定越脹越慢，所以宇宙不是膨脹就是收縮，不可能靜止。

愛因斯坦覺得從哲學思想上分析，這兩種解都不合適，按他的想法宇宙應該是靜止的，不能永不停息地運動。因此，愛因斯坦又向廣義相對論引力方程中引入了一項“宇宙常數”（Cosmological Constant λ）。這個宇宙常數起排斥力的作用，有了該常數之后，引力方程同時具備了引力和斥力，正好能夠達到平衡，可讓宇宙“靜止”下來。

20世紀20年代，美國著名天文學家哈勃（Edwin Powell Hubble，1889-

1953）經過觀測發現，宇宙確實是在不斷膨脹，他根據星系的距離和運行速度證實，離我們越遠的星系向外運動的速度越快，這是宇宙正在膨脹的表現。這一觀測結果完全與引入“宇宙常數”之前的引力方程的計算結果相契合，迅速得到了世界上絕大多數科學家的認可。愛因斯坦本來是想把宇宙“靜止”下來，但實際的宇宙是在膨脹著。他認為：“引入宇宙常數是我這一生所犯的最大錯誤！”

但愛因斯坦提出的“宇宙常數”并未被科學家們遺棄，一小部分科學家此后在將觀測結果與理論進行對比的時候，常常會把此常數捎帶上。如果計算結果顯示“宇宙常數”等于0，就證明該數確實不能用；反之，就證明愛因斯坦引入一個常數的思路是對的。

觀測超新星1997ff的重大發現

1997年哈勃太空望遠鏡拍攝到一顆超新星，編號為“1997ff ”。美國馬里蘭州太空望遠鏡研究所和勞倫斯伯克利國家實驗室的天文學家通過對該超新星光線的相對強度進行的研究表明，“1997ff ”爆發于110億年前，是迄今發現的最遙遠的超新星，當時宇宙的年紀只有現在的四分之一，宇宙的膨脹很可能經歷了一個先減速、后加速的過程。科學家為愛因斯坦的“暗能量”理論找到了第一個直接證據。

超新星即爆炸中的恒星，它發出的亮度是幾十億顆恒星亮度的總和。測定超新星的亮度，可以用來判斷宇宙膨脹的速率。在宇宙減速膨脹中誕生的星體，其發出的光到達地球時，該星體和地球之間的距離由于膨脹減速的原因要比預計的近，因而地球上的觀測者會發現其光要比預計中更亮。

經過大量的計算和分析，科學家們確認“1997ff”的亮度是預計正常亮度的兩倍，比距離更近、更年輕的超新星爆炸發出的光還要亮。科學家們據此判定，這顆超新星爆發于宇宙的減速膨脹階段。

科學家們指出，新發現和此前的觀測結論相結合，證實了宇宙膨脹先減速后加速，同時也證明宇宙中確實存在“暗能量”。“暗能量”據認為是更接近能量，而非物質。科學家認為，與暗物質一樣，“暗能量”構成了宇宙中不可見的一部分。科學家估計“暗能量”可能占據了宇宙成分的三分之二，對它的了解對于理解時間、空間、物質和能量具有關鍵作用。

1998年，天文學家們在南極用80

萬立米氣球搭載BOOMERANG（Balloon

Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics）微波探測器（氣球從1998年12月29日到1999年1月9日從37千米的高空飛越南極），BOOMERANG在空中控測了宇宙微波背景（CMB）下擾動的大量樣本，其中，CMB是從各個方向襲擊地球的持續的電磁聲波。這些遙遠的聲音是大爆炸之后的遺留輻射。他們探測的只是全天中的一小塊，得出的結論是：“宇宙常數”不等于0，且在整個宇宙中所占比例還很大。此后，“宇宙常數”正式被稱為“暗能量”。

借助WMAP發現最有利證據

2003年7月23日，美國匹茲堡大學斯克蘭頓（Scranton）博士領導的一個多國科學家小組宣布，他們借助美國“威爾金森微波各向異性探測器”（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，簡稱WMAP）的觀測數據（觀測宇宙微波背景輻射的微小變化），發現了暗能量存在的直接證據。作為“大爆炸”的“余燼”，宇宙微波背景輻射大約在“大爆炸”后38萬年產生，其中的光子在宇宙中穿行時會經歷一系列物理過程，特別是在經過質量較大的星系時，這些光子將遭遇“引力陷阱”。探測結果顯示，宇宙年齡約為137億年，宇宙由23%的暗物質，73%的暗能量，4%的普通物質組成。宇宙中所占比例最多的東西反而是人類最遲也是最難了解的，至今僅知道它們存在著，但還不清楚它們的性質。

宇宙加速膨脹范文4

爾出生于墨西哥市，直到1990

年去威爾士大學讀研之前一直沒有離

開過那里。1993年，米格爾·阿爾庫比

埃爾在威爾士大學獲得哲學博士學位，

研究數值廣義相對論，用快速計算機

解決愛因斯坦的地心引力方程式。現

在他仍然在這個領域做研究，為描述

環繞黑洞設計數值技術。

米格爾·阿爾庫比埃爾曾發表了一

篇出自廣義相對論研究的優秀論文，

探討現在的時空和引力“標準模型”，

論文描述了解決愛因斯坦廣義相對論

的一種不同尋常的方法一曲速引擎，

通過改變時空，讓太空飛船以極高速

飛行。下面就讓我們看一看米格爾·阿

爾庫比埃爾的研究及其意義。

首先，從廣義相對論和狹義相對

論的視角來看著名的光速限制。在狹

義相對論的環境中，光速指的是宇宙

中任何具有真正質量的物體（即除了

半神話的超光速粒子之外的一切）的

絕對速率。

原因有二。其一，給一個快速移

動的物體更大的動能主要會增加其質

能而不是速度，隨著速度接近光速，

其質能也會無限增大。根據這種機制，

相對論性質量增大將重物的速度限制

在亞光速。

狹義相對論還提供了第二個快于

光速限制：假設發現能夠實現快于光

速的瞬間通訊。在以完全公平和民主

處理所有參考系（即以某種恒速移動

的坐標系）時，基礎均為狹義相對論，

因此，快于光速的通訊被狹義相對論

暗中排除，因為它可以用來執行不同

時鐘讀數的“同時性試測”，以揭示宇

宙優先的或“真正的”參考系。然而，

這樣的優先參考系與狹義相對論相沖

突。

廣義相對論把狹義的相對看為適

用于太空中一個小區域的有限的次理

論，這個區域小到其曲線足以被忽略。

廣義相對論并非禁止快于光速的旅行

或通訊，但它要求對狹義相對性的區

域進行限制。也就是說，光速是區域

的速度限制，但是廣義相對性更為廣

泛的考慮可以提供回避這種區域限制

的迂回途徑，比如說連接相距5光年

之遙的空間方位的蟲洞。物體可以一

路遵循區域限速用幾分鐘時間以低速

穿過蟲洞的頸部，然而該物體通過這

個蟲洞所花時間僅僅為幾分鐘，產生

的速度是光速的100萬倍。

廣義相對論下快于光速的另一個

例子就是宇宙本身的膨脹。宇宙膨脹

時，任意兩個物體之間會產生新的空

間。這兩個物體相對于各自的區域環

境和宇宙微波背景來說是處于靜止狀

態，但是它們之間的距離可以超光速

迅速拉開。按照宇宙學的標準模型來

看，宇宙的局部在以快于光速的速度

遠離我們，因此與我們完全隔離。隨

著宇宙的膨脹速度由于引力的原因而

減弱，超過光速的宇宙遙遠部分與我

們接觸，因為大爆炸正在越過光速的

視野，重新讓宇宙中我們所屬的區域

看到。

米格爾·阿爾庫比埃爾提出的突破

快于光速的速度限制有點像宇宙的膨

脹，但是規模小得多，是區域膨脹。

他提出廣義相對性的“度制”，用數學

方式表達空間的曲度，用它來描述一

個平坦空間在其周圍受到翹曲圍繞時，

以任意速度被推向前方，包括快于光

速的速度。

阿爾庫比埃爾的翹曲由雙曲正切

函數構成，在平坦空間體積的邊緣形

成非常特殊的扭曲。實際上，在移動

體積后面新的空間會很快生成（如膨

脹的宇宙），而移動體積前邊的現有空

間正在被湮滅（如宇宙崩潰的大擠

壓）。因此，處于阿爾庫比埃爾翹曲體

積（以及體積本身）之內的太空船會

被后部膨脹的空間和前部收縮的空間

推進。

對于熟悉狹義相對論常規的人來

說，有了洛倫茲收縮、質量增加和時

間膨脹，阿爾庫比埃爾翹曲度制呈現

出一些相當獨特的性質。既然處于該

度制移動體積中心的飛船從其與區域

平坦空間的關系來說是靜止不動的，

那么就不會產生相對論性質量增加或

時間膨脹效果。飛船上的時鐘和外在

觀察者的時鐘同速走動，即使飛船以

快于光速的速度移動，觀察者也不會

覺察到它的質量增大。而且，阿爾庫

比埃爾認為，即使飛船在加速度，其

移動仍然在自由落體的測地線上。也

就是說，利用這個翹曲加速或減速的

飛船總是處于自由落體的狀態，飛船

上的飛行員體會不到加速度帶來的重

力。由于巨大空間曲率，該平坦空間

的邊緣附近會有巨大的潮力，但是，

如果于度制進行適當的限定，在飛船

占據的體積內，這些潮力就會變得非

常小。

如果不受狹義相對性帶來的令人

煩惱的限制而去其他星球，那么這一

切似乎已經再好不過了。我們會問：

“問題在哪里？”原來阿爾庫比埃爾曲

速引擎計劃存在兩個問題。

其一，他的翹曲度制雖然有效地

解決了愛因斯坦的廣義相對論公式問

題，但是我們還不知道如何形成這樣

一個時空扭曲，這個理論的實施需要

在太空的延伸區域施加基本的彎曲度。

宇宙加速膨脹范文5

然而在1998年，新一代的天文學家發現，宇宙不僅在膨脹，而且膨脹速度比以前更快。沒人知道是什么原因導致了這種加速膨脹，但不管怎樣，它已經有了一個名字，那就是暗能量。盡管暗能量的性質依然神秘，但通過它造成的影響可以計算出它的數量。就目前可以確定的情況而言，暗能量占宇宙質量的三分之二（所以也就是三分之二的能量，E=mC2）。因此不夸張地說，暗能量是個大事兒。如果你不理解暗能量，你就不能真正理解（物質） 世界。

最近，宇宙學家為了照亮籠罩著暗能量的黑暗，設計了三項實驗——兩家設址在智利，第三家在夏威夷。這些實驗將追溯到幾近宇宙起始的時候，并將衡量星系間以及星系和星系團間的相互關系，其結果的詳細程度將是前所未有的。當實驗完成的時候，哪怕暗能量的性質還沒有得到解決，至少也應該變得更清晰。

以上的三項實驗都是假設暗能量真的存在。不過，宇宙學界一群骨干反對者仍然不相信暗能量。他們不否認那些讓別人得出暗能量假設的觀測結果，但是他們否認得出的結論。對于他們來說，這些實驗倒是提供了一個測試替論的機會。

黑暗和黎明

新實驗中最先進的設備是5噸重、5億7千萬像素的暗能量相機，這臺相機去年安裝在了阿塔卡馬沙漠智利境內海拔2200米的賽拉·托洛洛美洲天文臺上。預計該相機將在幾周后投入使用，它將在五年時間的525個夜晚中每晚拍攝400張夜空照片，每張容量為1GB。

這個攝影“馬拉松”，是芝加哥大學的喬舒亞·弗里曼博士領導的“暗能量巡天”計劃的一部分。弗里曼計劃掃描八分之一的天空，仔細研究10萬個星系團，并測量地球與那些星系團中3億個獨立星系的距離。

所有這一切努力，目的都是要考察星系團的大小以及它們的形狀如何隨時間變化，以便可以詳細研究引力和暗能量間的每一次拉鋸。引力具有減緩宇宙膨脹的傾向，會讓星系團變得更緊湊；暗能量具有加速宇宙膨脹的傾向，會讓星系團分散開來。星系團的收縮或膨脹速率顯示出兩股力量的相對強弱。弗里曼博士和他的同事無法跟蹤任意一個星系團的變化，因為他們看到的只是星系團歷史中的一個掠影。但是，觀察許多年齡各異的星系團之間的不同之處，是退而求其次的好辦法。

此前的觀測表明，在宇宙137億年的生命中，有一半以上的時間引力占據上風；一直到了大約60億年前，暗能量才反超引力。“暗能量巡天”計劃希望觀察遠達100億光年以外的星系團，通過這種簡單的權宜之計來一直回溯100億年，對這段轉變期進行仔細研究。

第二個新實驗是由東京大學物理與數學研究所的村山仁領導的“斯巴魯成像與紅移測量”（SuMIRe）實驗，它定址在夏威夷的一座山頂上。實驗將于明年開始收集數據，方法與暗能量巡天計劃相仿，但要更好。雖然它只觀測十分之一而不是八分之一的天空，但它看得更遠——130億光年而不是100億光年。比起暗能量相機，它還有更多的花招；確切地說，它有一臺積分視場光譜儀，用來計算紅移。

紅移是天文學最重要的信息來源之一，它會告訴你一個星系有多遠。紅移是由多普勒效應引起的，這在地球上也是常見的現象，當警車和救護車向你接近然后遠離的過程中，警笛的音調會發生變化。光也會受到多普勒頻移的影響，因而一個離你遠去的物體發出的光會偏紅（即波長更長）。物體離開的速度越快，紅移就越大。正是這一效應使得那些20世紀20年代的天文學家在埃德溫·哈勃的帶領下得出了宇宙正在膨脹的結論。暗能量相機缺少光學攝譜儀，它不得不依靠其他帶有攝譜儀的望遠鏡為其進行紅移測量。因此，擁有一臺積分視場光譜儀是SuMIRe項目的一個優勢。

第三個實驗是由普林斯頓大學的萊曼·佩治開展的“阿塔卡馬宇宙望遠鏡偏振敏感接收器”（ACTPol）項目。ACTPol與前兩個項目相當不同，它不是觀察來自星系的光，而是研究來自于宇宙微波背景輻射（CMB）的微波。這些微波是宇宙大爆炸后38萬年左右形成的，因此保留了早期宇宙樣貌的印記。

ACTPol項目也在智利，在一座名為塞羅·托哥山的山峰上。測試于2013年7月19日開始。它的目的在于觀察CMB的偏振，當微波從波源穿過中間星系到達地球的時候，偏振的各個部分都將是被顯著扭曲過的。從偏振觀測出發，使用大量統計技巧之后就可以得到引力和暗能量對星系團的蹺蹺板效應（即上文的拉鋸作用，原文直譯為溜溜球效應）的第三個估測。

對于理解宇宙怎樣從一個比電子還小的奇點演化成今天見到的浩瀚空間來說，如果這三項實驗成功完成并且結果一致，那么將是一大進步。理論學家能夠把新的數據放入他們的暗能量模型中，看看能得出什么東西。但其他人也能使用這些數據，而且他們可能會得出不同的結論。

瘋狂到了足以正確嗎

盡管天文學家在爭相解釋宇宙膨脹之謎，一些理論學家卻在試圖說明宇宙膨脹不存在。此類嘗試中的最近一次，剛剛由德國海德堡大學的克里斯托夫·韋特里奇完成。他不但不相信暗能量，也完全不相信宇宙正在膨脹。

在現代宇宙學的背景下，否定宇宙正在膨脹是一種相當嚴重的“異端邪說”。但韋特里奇博士發表于在線資料庫arXiv上的最新論文試圖為這種“邪說”撐腰。

在韋特里奇博士的宇宙圖景中，在其他人看來由宇宙膨脹導致的紅移反而是宇宙質量增加的結果。他推斷，如果原子質量比過去更輕，那么它們那時發出的光將遵守量子力學定律，比它們現在發出的光能量更低。由于能量低的光波長較長，所以天文學家現在觀察它們的時候會認為它發生了紅移。

乍一聽起來這種想法很瘋狂，因為質量守恒的觀點深入到了每一個剛剛達到高中水平的物理學者心中。放棄質量守恒是件很痛苦的事，但是韋特里奇博士的提議漂亮地解決了大爆炸理論中的一個大麻煩，那就是解釋宇宙開始時刻的那一點——被稱為奇點——的無限密度。這是正統理論無法解釋的。

宇宙加速膨脹范文6

北卡羅來納大學文學和科學院著名物理學教授保羅.法拉姆頓博士和路易斯.J.羅賓及研究生羅伊斯.鮑姆共同提出了一個循環模式，這個循環模式有四個關鍵部分：膨脹、逆轉、收縮和反彈。在膨脹階段，暗物質（引發宇宙加速膨脹的未知能量）不停的推進，直到所有物質分裂成任何東西都無法連接的碎片。黑洞中釋放出來的所有東西都被分裂成了原子。然后在膨脹結束前的一瞬間轉入逆向階段。

逆向階段，在一次逆大爆炸過程中，碎片沒有再重新粘合在一起，而是每一個碎片分裂和個自收縮。這些碎片形成了無數個獨立的宇宙，這些宇宙收縮，然后反彈，以類似于大爆炸的方式再次向外部膨脹。其中的一塊碎片就形成了我們現在這個宇宙。

法拉姆頓說，“這個循環進行了無數次，從而令我們無從了解確切的開始或者結束時間。因此在這種循環中不存在宇宙大爆炸。”

《物理評論快報》雜志將在下一期中刊登闡述這一模式的論文。法拉姆頓說，宇宙學家二十世紀三十年代首次提出沒有開始或者結束的宇宙振蕩模式來取代大爆炸理論。但因振蕩理論無法與包括熱力學第二定律在內的物理學吻合，這一理論最終被遺棄。

熱力學第二定律說熵不可能消失。但是假如熵在一個振蕩到下一個振蕩的過程中增加的話，宇宙每個循環之后就會變得更大。法拉姆頓說，“宇宙就可能像混雪球一樣越混越大。每一次振蕩的時間同時也會持續更長。從時間上反推，我現在宇宙之前的振蕩時間將非常的短暫。這將不可避免地要引發宇宙大爆炸的產生。”

法拉姆頓和鮑姆通過假定在逆向階段所有碎片中殘留的熵都相隔太遠而無法相互產生作用來避開大爆炸。每一個分裂碎片都成為一個獨立的宇宙，每個宇宙都可以收縮基本為空的物質和熵。法拉姆頓說，“任何物質的出現都會對收縮產生無法克服的困難。返回為空的觀點是這一新循環模式的最重要部分。”當去年10月份他突然想到這一觀點的時候感到非常震驚。他說，“我突然發現了一個解決這個看似無法解決難題的新方法。我座在椅子上，把腿放在桌子上，半睡半醒地苦思這一問題。當我發現這一非常簡單的可能性后幾乎從椅子上摔下來。”