宇宙的终极命运究竟如何?先解开暗能量的谜团(4)

2018-01-04 09:55 来源:网络整理 

  如果w<-1,那么暗能量的密度不仅不稀释,反而会变得越来越大。这听起来让人觉得有点匪夷所思。有人立刻会指出,暗能量这种东西明显违背了能量守恒的原则,因为不管是密度始终保持为常数,还是略微稀释,更甚至于越变越大,都明显与我们熟知的能量守恒不相符合。但要知道,一旦我们考虑引力,这就一点都不奇怪了,因为引力也是有能量的,而且引力的能量是负的,在整个宇宙中引力的能量与其他形式的能量之和始终保持为零。尽管如此,这种w<-1的暗能量也够诡异的,它的物理实现机制往往不太自然,而且也会带来一些难以理解的深层次问题。这种暗能量被称为“幽灵”。虽然很多人讨厌它,但是物理学家的头脑始终是开放的,在历史上不乏这样的案例:一些物理概念或理论一时令人难以接受,但后来它们却被证明是真实的物理。像暗能量这种世纪难题,在问题被彻底解决之前,任何可能性都应以开放的态度来对待。w在演化中跨越-1的可能性也被广泛讨论,对应于这种情况的暗能量叫做“精灵”。

  在遥远的未来,宇宙终将被暗能量完全统治。如果暗能量是宇宙学常数(w=-1),那么宇宙的最终命运就是进入到德西特时空,并一直指数膨胀下去。如果暗能量的w大于-1,那么宇宙还是会永远膨胀下去,只是膨胀率会低于指数膨胀的情况。如果暗能量的w<-1,那么它的密度越来越大,产生的排斥力也越来越大,其最终结果令人惊讶不已:它的斥力终将会大到不可思议的地步,会逐步撕裂宇宙中的一切结构,不止于星系团、星系、恒星、行星这样的天体,还会进一步撕裂分子、原子、原子核,乃至一切基本粒子,实际上它最终会撕裂时空本身。这就是“大撕裂”奇点。时间也会终止于“大撕裂”奇点。如果真是这样,那么宇宙就起始于“大爆炸”,终结于“大撕裂”。

  总之,宇宙的最终命运完全由暗能量的性质来决定。

  暗能量的性质决定了宇宙的最终命运。

  宇宙加速膨胀已被多种观测证实(超新星、大尺度结构、宇宙微波背景辐射、重子声学振荡等),这一重大发现也已被授予2011年度的诺贝尔物理学奖。宇宙为何会加速膨胀呢?主流的观点认为是暗能量推动了宇宙加速膨胀。这种观点隐含的前提条件是爱因斯坦的广义相对论在宇宙的各个尺度上都是正确的,因而需要在宇宙中考虑额外的暗能量这种神秘力量。还有一种更加激进的观点,也非常有吸引力,就是爱因斯坦的引力理论有可能在宇宙学尺度上变得不再正确,需要一定程度的修正才能符合真实情况。也就是说,爱因斯坦的引力理论(广义相对论)可能是不完备的,不适用于宇宙学尺度。我们需要探索一个更加完备的、超越爱因斯坦的、能够描述宇宙大尺度情况的新的引力理论。

  在目前情况下,并没有更加深刻的物理学原理来引导我们对爱因斯坦引力理论进行进一步推广,只能依据宇宙加速膨胀相关的观测数据构造一些具体的修改引力模型。已经构造出了很多这样的模型,其中一些确实可以在不需要引入暗能量的情况下得到加速膨胀的宇宙。这些模型不仅需要满足宇宙学观测的限制,还要满足太阳系观测的限制,毕竟在小尺度下(比如太阳系)广义相对论是成立的。

  对于修改引力模型,从某种角度上看,可以认为是广义相对论所描述的引力叠加上了某种额外的力。这种额外的神秘相互作用被称为“第五种力”。回想一下,自然界的已知的四种基本相互作用分别为:引力、电磁力、强核力和弱核力。有没有超出这四种相互作用的第五种基本相互作用呢?这是一个十分重要的基本问题,因此寻找“第五种力”也是人们感兴趣的课题之一。按照流行的修改引力模型,物质之间除了正常的由广义相对论所描述的万有引力之外,还存在由某种神秘的标量粒子所携带的额外的力。这就导致,在这些模型中,宇宙物质结构增长方式与广义相对论的情况有所不同。这里,所谓物质结构增长就是指宇宙中的物质汇聚在一起形成诸如星系团之类的大尺度结构。在广义相对论中(其中包括暗能量),宇宙的不同尺度上的物质的汇聚模式是相同的。但是在修改引力理论中,在不同的尺度上,物质聚集成团的方式会出现一些差异。

  探索广义相对论的可能的修改方式,或者说,探索一个更加完备的引力理论,是非常重要的课题。宇宙加速膨胀为此提供了很好的线索。

  测量暗能量

  暗能量的性质主要由状态方程参数w来刻画,因此解决暗能量问题的一个关键步骤是测量w。但这非常困难,原因在于w不是直接的观测量。