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暗能量真的存在吗 宇宙加速膨胀不过是假象?

http://www.dayoo.com http://www.dayoo.com 2009-05-11 12:45 来源: 球报 发表评论 (0)

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撰文 蒂莫西·克利夫顿(Timothy Clifton)

佩得罗·G·费雷拉(Pedro G. Ferreira)

翻译 虞骏

加速膨胀是假象?

宇宙看起来似乎正在加速膨胀, 表明宇宙中存在一种奇怪的未知能量形式——暗能量。问题在于,没有人知道暗能量到底是什么。

宇宙学家或许根本不需要求助于什么暗能量。如果我们居住在一个物质密度低于宇宙平均水平的空间区域,宇宙膨胀的速率就会随位置的不同而发生变化,这就有可能被误认为是膨胀速率在随时间流逝而加速。

在大多数宇宙学家看来,超级宇宙巨洞似乎很不靠谱,不过暗能量同样很不靠谱。未来几年的观测数据将判定这两种说法谁对谁错。

大尺度上物质密度的不同导致空间非均匀膨胀,可能产生天文学家通常归因于暗能量的观测效应。

科学界最伟大的革命,往往由现实和预期之间最细微的差异所引发。16 世纪,哥白尼提出地球并非宇宙中心,他的立论基础在当时许多人看来,不过是天体运动中一些深奥难懂的细枝末节。今天,一场新的科学革命,已经随着11 年前宇宙加速膨胀的发现而拉开序幕。超新星亮度上的细微差异,曾让天文学家得出结论:构成宇宙的所有物质成分当中,有70% 是完全未知的。也就是说,空间中充斥着一种不同于其他任何物质的成分——它们始终推动着宇宙膨胀,而不像其他物质那样阻碍膨胀。这种成分被称为暗能量(dark energy)。

10 多年过去了,一些宇宙学家依然对暗能量的存在感到不可思议,甚至开始重新思考那些最初令他们推导出暗能量的基本假设。其中一个假设正是早期科学革命的产物——哥白尼原理(Copernican principle)。这个原理认为,地球所处的位置既不是宇宙中心,也没有任何特殊之处。如果我们抛弃这一基本原理,一套能够解释这些观测现象而又不需要借助暗能量的宇宙图景,就会令人惊讶地显现出来。

大多数人都非常熟悉这样一个观念:我们这颗行星不过是一粒宇宙微尘,在一个毫不起眼的星系边缘附近,围绕着一颗普普通通的恒星旋转。在我们这个宇宙当中,类似的星系至少有数十亿,分布之广甚至超过我们的宇宙视界(cosmic horizon,即我们能够观测到的最远边界)——这使我们相信,自己在宇宙中的位置没有任何独一无二之处。不过,有什么证据能够支持如此谦卑的宇宙观?我们又如何才能确定自己是否处在一个特殊位置上呢?天文学家通常会跳过这些问题,假定我们的微不足道是显而易见的,不需要进一步探讨。我们或许真的处在宇宙中一个特殊的位置——考虑这样一种可能性在许多人看来似乎是不可思议的。然而,这正是世界各地一些物理学家小组最近正在认真思考的观点。

具有讽刺意味的是,假设自己在宇宙中无足轻重,恰恰给宇宙学家提供了强大的解释能力。根据哥白尼原理归纳而成的宇宙学原理(cosmological principle)声称:任何时刻,从空间中的任意一点朝任意方向看去,宇宙的模样都是一样的。这个假设让我们可以把自己在宇宙一隅看到的东西外推到整个宇宙。宇宙学家已经付出了巨大的努力,以宇宙学原理为基础,构建起了代表科学最高水准的宇宙学模型。结合现代科学对空间、时间和物质的理解,宇宙学原理暗示:空间正在膨胀,宇宙正在变冷,其中充斥着来自炽热宇宙开端的遗迹——所有这些预言都被天文观测一一证实。

比如说,天文学家发现,遥远星系发的光似乎比邻近星系发的光更红一些。这种被称为红移(redshift)的现象就能够用空间膨胀来巧妙解释,因为光波也会随空间的膨胀而被相应地拉长。微波探测器还发现了宇宙极早期发出的辐射——宇宙微波背景(cosmic microwave background)。这种大爆炸原始火球的遗迹,像一层帷幕包裹在空间各个方向,平滑得几乎完美无瑕。公平地讲,能成功解释这些现象,我们自视谦卑的态度实在功不可没——假设自己在宇宙中的位置越不重要,我们就越能够“全面”地探讨宇宙。

(编辑: editor)

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