试论宇宙加速膨胀、暗物质和暗能量

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物理学中有很多奥妙的地方，下面小编就为大家推荐惯性论，欢迎各位物理学的同学阅读!

2011年10月4日，2011年度的诺贝尔物理学奖颁发给了美国加州大学伯克利分校天体物理学家萨尔波尔马特、美国/澳大利亚物理学家布莱恩施密特，以及美国科学家亚当里斯，他们通过观测遥远超新星的红移而确定出哈勃常数随时间愈来愈大，显示宇宙在加速膨胀。与宇宙加速膨胀相关的暗物质和暗能量的问题，也已成为当前天体物理学和宇宙学研究的前沿和热点。

何谓宇宙

我国自古把上下四方叫做宇，往古来今叫做宙。显然，宇宙就是全部的空间和时间。空间是包容万物的场所，时间是万物演变的过程。所以在中国人历来的观念中，宇宙代表了所有物质和时空四维。至于宇宙的大小和起源，多沿袭盘古开天辟地的传说，一般人想当然地认为天穹无限而寿命无涯。

宇宙的英文单词universe，意指世间万物。由于时间不算物质，所以西方古代的习惯是把时间分开来看待。而且，天主教会把宇宙的起始时间定在现在天文学家使用的儒略日的起算点：公元前4713年的1月1日零时零分零秒。只是到了1905年爱因斯坦提出相对论时，才把时间和空间看作宇宙的四维整体。也就是说，西方的宇宙概念才真正与中国的宇宙概念对应一致。

不过，中国的宇宙只是形而上的概念，即仅仅是定性的讨论，缺乏数学的定量的分析。直到1917年爱因斯坦广义相对论的发表，才正式开启了世界范围内宇宙论的数理分析研究。但是关于宇宙的理解仍然存在狭义和广义之分。狭义的宇宙指的是我们生活和可能看到的全部物质分布的空间和时间，也称物理宇宙;广义的则包括我们这个宇宙之外的其它许许多多、各式各样的宇宙，也叫多联通宇宙或哲学宇宙。

奥伯斯佯谬

其实，古代西方学者也大多主张宇宙无限而且永恒不变。牛顿认为空间是绝对的，在上下四方均是无限延伸的，而且处处充满天体;时间也是无限延续的。但是在1823年，德国医生奥伯斯提出为什么夜空不是无限明亮而是黑暗的呢?并加以讨论。为了解答这个问题，可以直接引伸出宇宙的大小和寿命均是有限的这个今天绝大部分读书人十分熟悉的答案。但是在古代，包括古希腊德谟克利特等均给出了错误的解答，错过了发现宇宙并非无限和永恒这个当代宇宙学家们的结论。

哈勃定律与宇宙膨胀

1929年，哈勃在维斯托斯里弗尔工作的基础上、在密尔屯哈马孙的协助下，以遥远星系中的造父变星的周光关系来确定星系的距离，利用25米望远镜摄谱仪来确定星系的视向速度(红移)，从而建立了星系红移和距离成正比的关系。他们把红移解释为星系在不断地远离我们，而且几乎所有的星系均在远离我们，且距离越远、速度越快。

这就是人们熟知的哈勃定律。由此必然得出宇宙正在膨胀的结论。这个关系的比例常数被叫做哈勃常数，也就是宇宙空间的膨胀速度，单位是千米/(秒百万秒差距)。其倒数就是宇宙的年龄。

大爆炸理论

1917年，爱因斯坦发表广义相对论。他发现，他推导出的用以描述整体时空的场方程不能给出一个静止的、永恒不变的宇宙。因此，他引入一个附加项来获得需要的宇宙模型。其后许多人加入研究，得出了多种宇宙的数学模型，要么膨胀，要么收缩，要么振荡式地循环。1929年哈勃定律的发现，使得许多学者相信宇宙的确是在膨胀。

比利时科学家勒梅特在1927年提出，宇宙是从一个比太阳大30倍的原初原子突然爆炸出来的。这就是所谓大爆炸宇宙模型的由来。上世纪40年代，伽莫夫把这种思想推进了一大步，阐明了大爆炸过程中发生的核反应，并用以解释老年恒星中的氢元素与氦元素含量的比例。伽莫夫还与他的学生们预言，爆炸火球留下来的残余应当是一个遍布各处的大约5K或略高的黑体背景辐射。

随着对于原子热核反应知识的积累，人们对于这种大爆炸模型的研究越来越深入，从而能够把原初原子的大小推演到单个氢原子那样大小的所谓数学奇点的程度，那时物质密度极高，温度极高。原初原子突然爆炸，创生了我们今天所看到的整个宇宙。

虽然，早在上世纪30年代，人们利用光谱观测研究得出星际云的温度大约为2.3K;在接下来的10年里，射电天文学家发现了天空的温度低于20K，但人们并没有把这些观测结果与伽莫夫等的理论联系起来。所以，直到1965年彭齐亚斯等人进行了有意识的观测，才算真正发现了这个仅有2，7K的宇宙背景辐射。从此，大爆炸宇宙论就更加风行于世了。当然后来又有了许多改进，比如加入了最初的暴胀阶段等。

哈勃常数的变迁

哈勃常数的确定，需要观测星系的两个参量：距离和远离视线方向的速度(在多普勒效应方法下是测量星系谱线的红移)。测定不太遥远的星系距离，常用方法是测定其中的造父变星的光度变化周期，然后利用周光关系来确定造父变星的绝对星等。知道了绝对星等就可以定出该造父变星所在星系的距离。对于许多彼此距离相差很大的星系，比较它们的视向速度，画出视线速度随距离变化的拟合图，求得它们的比例系数，就求得了哈勃常数。

早期限于望远镜的口径太小和摄谱仪的效能太低，只能观测比较近距离的较亮的少数星系，求得的哈勃常数很大，达到500千米/(秒百万秒差距)!随着观测仪器的进步，观测到越来越远的大量星系的距离和视线速度，哈勃常数的数值大多在40千米/(秒一百万秒差距)～80千米/(秒一百万秒差距)之间。2009年5月7日，美国宇航局发布的最新数据为(743.6)千米/(秒。百万秒差距)。

对于更加遥远的天体，已经无法利用造父变星，就改用比造父变星更加明亮的天体，比如超新星。星系中存在两类不同的超新星：Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型超新星是双星系统中的大质量白矮星吸积伴星物质，从而使自己的总质量达到钱德拉极限后塌缩爆发引起的。它们中的Ia型的极大亮度是固定的。因此利用观测它们的极大亮度，加上适当的星系际消光改正，就可以求得所在星系的距离，进而求得哈勃常数。

1988年起美国加州大学伯克利分校天体物理学家萨尔波尔马特领导的小组，与1994年起布莱恩施密特领导的小组均在搜寻遥远星系中的Ia型超新星。他们总共发现了50余颗。1998年，他们在美国《天体物理学》杂志上发表了结果。他们发现，星系的退行速度不是与距离成正比，而是越远退行速度越小。

这意味着距离越远，哈勃常数越小。这只能说明宇宙在早期膨胀得较慢，而后来则膨胀得越来越快，也就是说宇宙在加速膨胀。由此，他们通过研究遥远河外星系中的Ia型超新星和宇宙膨胀的关系这一出色工作，荣获了诺贝尔物理学奖。

膨胀加速和暗能量

宇宙的膨胀为什么会加速呢?原来，爱因斯坦的宇宙场方程中添加的抵消物质引力的宇宙常数代表了一种排斥力。

而产生这种排斥力的必然是一种看不见的能量，因此被叫做暗能量。实际上，在过去人们深入探讨爱因斯坦宇宙场方程的过程中，就发现宇宙模型有三种类型：平直的、开放的和闭合的。而确定不同模型参量的是宇宙中的平均物质密度。根据爱因斯坦的质能关系，能量也可以等价于物质。一般情况下，人们倾向于平直宇宙，所以物质和能量的总和应当等于1。

而实际观测到的发光物质的质量大致为0.04，即只能是开放的。但是许多观测表明，在我们的银河系和其它星系中明显地应当存在大量的不发光的物质，被叫做暗物质，它们的总量可能达到0.22。那么还剩下0.74，就应当是暗能量了。

现在，暗物质和暗能量的问题，已经成为了天体物理学和宇宙学研究中的前沿和热点。

试论宇宙加速膨胀、暗物质和暗能量