解决科学经典难题系列2:暗能量——别信仰哥,哥只是一个传说

物理学的发展在1980年之前是很迅速的,在爱因斯坦相对论与量子力学两大支柱的支撑下,物理学有了完整的框架,对宇宙有了合理的认识。逐渐发展出了标准宇宙学模型和粒子物理学的标准模型。它们在一定程度上成功地描述着这个世界是如何运作的。可是自此之后,物理学的脚步停了。事实上,半个世纪过去了,科学家们尽管费尽了心血,极其的努力,可我们对宇宙的认识却并不比1970年代更多。有几大难题无法解决。我一直以来专注于科学前沿,致力于解决科学难题,为此推出《时空波动论》,发动一场科学革命。将在此推出一个解决科学经典难题系列,将困挠科学界的这些难题逐一介绍给大家,并给出解决难题的方法。让这些科学难题渐渐露出真容,使这个宇宙不再那么神秘莫测。敬请关注。

前文讨论了如何解决第一个难题:暗物质。本文接着探讨如何解决第二个难题:暗能量。

暗能量跟暗物质一样,是科学家无法用现有理论解释这个宇宙现状,而不得不发明出来的一个概念。这就象古时候人们看月亮只在每月的15号会是满月,其它时候月亮都缺了一部分。没人知道这是怎么回事,于是琢磨出了一个“天狗食月”的神话,认为天上有一条狗在吃月亮,月亮因此残缺不全。

解决科学经典难题系列2:暗能量——别信仰哥,哥只是一个传说

这个神话在现在当代看起来很好笑。但在古代却被当成真事,人人都信。否则怎么解释月亮形状的变化呢?

暗能量传说的起源

这个暗能量也是一样。在未来会被人们看起来很好笑,但在现在却被当成真有其事。科学家们都不得不相信它的存在。否则这个宇宙就不会是现在这个样子。

因为“宇宙加速膨胀”这个已经被公认的宇宙现象,实在太出乎科学家们的意外了。

宇宙正在膨胀是美国著名天文学家哈勃在1928年发现的。哈勃通过恒星光线的波谱分析,发现这些光线都有红移。这说明恒星都在离我们远去。这是由多普勒效应推断出来的。当一列火车离你远去时,其汽笛声会越来越弱。火车向你而来时,其汽笛声会越来越强。

解决科学经典难题系列2:暗能量——别信仰哥,哥只是一个传说

天文学家哈勃

这个结论让科学家有些吃惊。众所周知,万有引力在操控着天体的运行。引力是永远将天体拉向一起的。不过科学家还是接受了这一点。因为宇宙大爆炸之后,就算由于爆炸的速度太高,天体会有一个向外飞驰的初速度,所以宇宙在膨胀,是因为这个初速度尚未归零。预计再过一段时间,在万有引力的作用下,宇宙膨胀将会终止,天体将会聚合起来,越来越近。最后的结果令人沮丧:宇宙最终会融合为一个小点,即奇点,所有生命都将不复存在。这个奇点再度爆炸,开始一个新的循环。不过那已经是几百上千亿年以后的事了。

重镑的发现是1998年产生的。科学家于1998年观测Ia超新星得到的数据,发现宇宙膨胀的速度正在加快。在经过多次验证无误后,物理学家索尔·珀尔马特(加州大学伯克利分校)、布莱恩·施密特(澳大利亚国立大学)与亚当·里斯(约翰·霍普金斯大学)“透过观测遥远超新星而发现了宇宙加速膨胀”,因此,共同荣获2006年邵逸夫天文学奖与2011年诺贝尔物理学奖。

所有人都惊呆了,没人能料到这一点。因为引力始终是向内拉扯着最外围的天体的。最外围天体理应停止向外奔驰的步伐,并开始向宇宙内部靠近。次外围的天体同样会如此,最后整个宇宙都会热聚为一个点。

可天文学观测都无疑证实着宇宙正在加速膨胀。这成了头号科学未解之迷,就象一把达摩克利斯剑悬在所有科学家头上,令他们食不甘味,睡不安枕。如果这都无法解释的话,那可真是丢尽了科学界的脸面。让他们无颜去拿薪水,无颜去见江东父老。

解决科学经典难题系列2:暗能量——别信仰哥,哥只是一个传说

为了解决这个无法解释的宇宙现象,天文学家发动了想象力,于是就编出了“暗能量”这个传说。就象那个能吞掉月亮的天狗一样,暗能量有一种神奇的排斥力,不仅能抵消掉天体之间的万有引力,还能多出来一些,使星系之间产生斥力(天文学家还不敢说天体之间会产生斥力。否则星系就无法存在了。但让人难解的是,既然星系之间会产生斥力,何以天体之间就只剩下引力呢?),于是星系之间就越来越远,这个斥力会使星系之间的远离产生加速度,所以宇宙的加速膨胀就是可以理解的了。

要想达到这个加速膨胀的加速度,暗能量的规模真不低。经过计算,暗能量的规模将是可见物质的14倍。由于暗物质已经占去了宇宙物质规模的26%,所以宇宙质量的规模经过划分,成了这个样子:可见物质占5%,暗物质占26%,暗能量占69%。

对暗能量的艰苦寻找

就象古代人民在想象出了天狗食月传说后,开始想方设法找到天狗一样,科学家从此开始在寻找暗能量的道路上负重前行,步履蹒跚。

2009年5月,欧洲太空总署发射了普朗克卫星,目的是要寻找暗能量的起源。那是一个高灵敏望远镜,会寻遍空间与时间,回溯数十亿年,朝一切的初始前进,最后获得我们的宇宙在137亿年前的样子,当时是大爆炸后38万年。

“许多聪明人都试图构想出比宇宙学常数更好的东西,或者去理解为什么宇宙学常数(即暗能量的另一种称呼)具有如此的数值,大致说来,他们都失败了。”美国加州理工学院的理论物理学家肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)说:“大自然还没有准备好向我们透露任何有关的线索。”

从2013年9月起,一个名为“暗能量巡天”的国际项目将开始收集数据,在爆炸的恒星和古老的星系团之间寻找这些东西的迹象。旨在进一步了解暗能量。位于智利托洛洛山美洲天文台口径4米的维克托·布兰科望远镜,以及一个专门设计的红外照相机,将在广大的天区中寻找暗能量的若干迹象。该项目主管、美国芝加哥大学的乔舒亚·弗里曼(Joshua Frieman)说:“虽然不是世界上最大的望远镜,但它的视场非常大。”

2021年,一个大口径全天巡视望远镜将睁开它的巨眼。其他巨型望远镜,比如位于夏威夷的30米望远镜(Thirty Meter Telescope),以及同在智利的欧洲特大望远镜(European Extremely Large Telescope)和巨麦哲伦望远镜(Giant Magellan Telescope),都将在大约同一时间投入使用。在澳大利亚和南非兴建的巨型射电接收器——平方千米阵也会加入。这个完整的暗能量猎手团队,将在几年之后组建好。平方千米阵可以通过观测氢云的射电辐射,追踪宇宙的结构。到2020年,欧洲空间局和美国宇航局计划发射一颗名为“欧几里德”(Euclid)的暗能量探测卫星,能够观测宇宙更早时期的引力透镜和星系成团。美国的大视场红外巡天望远镜或许会紧随其后。

这场穿越空间的暗能量围猎将会惊心动魄,但科学家承认,即便呕心沥血,猎物很可能仍然会不见踪影。因为暗能量实在太神秘,超出了人们的想象。

解决科学经典难题系列2:暗能量——别信仰哥,哥只是一个传说

上图是位于夏威夷的30米望远镜和其他巨型光学望远镜,将在未来10年内陆续建成并投入使用。它们和其他设备一起,将为天文学家抓捕暗能量提供有利的工具。

还有一些物理学家别出蹊径,提出诱捕暗能量的方案,在地球上设置“陷阱”来引诱暗能量进来。英国诺丁汉大学的克莱尔·伯雷奇(Clare Burrage)说:“如果你引入一种新的场或者粒子,来充当你的暗能量,那么它们也将成为载体,传递一种新的作用力。”类似“第五元素”的东西,会产生有别于引力、电磁力、弱核力和强核力的第5种基本作用力。

一个被称为“GammeV”的项目已经在美国费米实验室就位,已经开始搜寻一种被屏蔽的特殊暗能量,也就是所谓的“变色龙”。

尽管进展甚微,伯雷奇不愿放弃。她打算搜寻更大范围内的暗能量,灵敏度也要更高。她为了利用处于玻色-爱因斯坦凝聚态的低温原子团来暴露暗能量的踪迹。而决定和英国诺丁汉大学的同事埃德蒙·科普兰(Edmund Copeland)及英国伦敦帝国学院的埃德·海因兹(Ed Hinds)合作。这种低温原子团会像一个整体那样,在量子波动中振荡。暗能量应该会略微降低这种振荡的频率。这个研究团队计划把一团凝聚物一分为二,在其中之一附近放置一个高密度物体。如果物体屏蔽了暗能量,两个“半团”凝聚物中的波就会脱离同步,再把它们重新放在一起时,两者就会发生干涉。

可是到目前为止,GammeV仍然一无所获。

大家都对暗能量的围捕没有多少信心。美国俄勒冈大学的斯蒂芬·许坦言:“暗能量是最大的谜团之一,我不指望自己能够活着看到它被攻克。”

在困惑了15年之后,对于暗能量是什么,科学家们仍然没有任何线索。

暗能量真相

其实就象暗物质一样,暗能量从来没有真正存在过。

它就象是天狗一样,被人们幻想出来,只为了解决月亮圆而又缺这个天文现象。如果人们因此去寻找天狗,当然永远都是一无所获。

《时空波动论》推出全新的宇宙辐射压理论,能完美解释宇宙星系何以能在没有暗物质的情况下稳定存在,并在抛弃暗能量后,完美解释宇宙加速膨胀这一世纪难题。让大家不再人云亦云,被表面现象所迷惑,看清这个宇宙真正的真相。

宇宙加速膨胀,并不是因为暗能量,而是因为宇宙微波背景辐射。

宇宙微波背景辐射产生于宇宙大爆炸,这个大爆炸以其惊人的强度产生了无尽的光子能量与各种基本粒子。这些基本粒子相互结合成为宇宙的天体、星云。而光子则一直在宇宙内以光速在飞行。一百三十多亿年后,这些光子的能量渐渐降低,波长变长,成为了一种肉眼不可见的微波辐射。其触角遍布全宇宙,非常的均匀,足足给原本绝对零度的宇宙加温了3度。

解决科学经典难题系列2:暗能量——别信仰哥,哥只是一个传说

光子虽然静止时并没有质量,但以光速飞行时,就会有一定的动量动能。这些光子撞击到物体上,就会产生光压,对物体产生一定的压力。这就是宇宙辐射压力。

宇宙大爆炸产生了一个相当大的膨胀初速度。但由于接下来宇宙天体就将处于引力的作用下,宇宙膨胀的这个初速度再大,也将在引力的阻碍下减速,直至停止膨胀,接着就是相互靠拢,星系相撞在一起,宇宙又将坍缩为一个火热高压的奇点。一个炸弹爆炸后,飞向四处的弹片,在引力的作用下,最终会减速为零,掉向地面。

所以,万有引力理论,和广义相对论,都无法解释宇宙没有坍缩,反而在加速膨胀这个事实。

“暗能量”假说,又是那样的牵强,难以自圆其说。一个占宇宙总质量70%、却从来没有被观测到过、其斥力产生的原理也没有清楚的机制。它只能是一种假说,难以成为令人信服的科学理论。正的宇宙常数导致宇宙膨胀,但它为正的原因呢?怎么合理解释?仅仅设定一个正的常数,当然是很简单的。

而用宇宙辐射压力来取代引力后,一切就变得自然而然了。

宇宙辐射产生于宇宙大爆炸,随着宇宙膨胀,弥漫于宇宙的每一处空间。在宇宙的中心,其间的天体受到来自四面八方的辐射力作用,所以这个力量保持平衡。

宇宙最外围的天体,位于宇宙最边缘。在它的外面,向中心方向将天体内推的宇宙辐射是不存在的。大爆炸产生的辐射都是向外的。那种向内辐射,基本上是来自于天体的反弹或发射。而最外围的外面,并没有任何天体。对于最外围的天体而言,将受到来自各方向的辐射外推力,而没有任何辐射内推力。这个力量将产生一个向外的加速度,使它加速向宇宙外围飞驰而去。

对于宇宙次外围的天体,会受到一个向内推的辐射力。但这些内推的辐射,只是来自最外围那几个少得可怜的天体的自身散发的辐射和反弹的辐射。而向外推的辐射力则来自所有宇宙辐射与其他的宇宙天体反弹、发出的辐射之和。

两者差距不是一般的大。所以,次外围天体将受到一个向外推的力,虽然这个力会小于最外围的天体所承受的外推力,但仍然会使次外围天体产生一个向外的加速度,以仅次于最外围天体的速度和加速度飞奔向更深处的空间。

同理,可知,离宇宙中心越远,向宇宙外飞奔的加速度就越大。离宇宙中心越近,这个加速度就越小。

这同加速膨胀的宇宙现状完全符合。天文学家测量发现,离地球越远的天体,离开地球的速度就越大。而且,其加速度也越大。

科学,就是在不断的质疑与纠正中才能前进。如果总是固守着前人的理论不放,固步自封,不敢越雷池一步,没有独立思考的能力,没有敢于挑战权威的精神,那已经停滞了多年的人类科学,只怕永远也没有前进并突破的希望。人类的科学已经停滞了太久,我们再也无法等待下去,再也不甘于被囚禁在地球上望空兴叹。宇宙永远是我们的梦想。那就让我们一想来迎接这场科学革命吧。人类将从此成为宇宙的主人。


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