基本介紹
- 中文名：宇宙常數
- 外文名：Cosmic constant
- 對象：宇宙
- 類型：天文學
- 定義：宇宙場強
- 學科：天文學
基本簡介,引力場方程,哈勃定律,Hubble定律,暗能量,理論宇宙學,誕生,消亡,復活,新觀點,
基本簡介
20世紀20年代，天文學家認為宇宙的大小是固定的。即便廣義相對論預示事實並非如此的時候，愛因斯坦也沒有轉變思路，找出正確答案。相反，他在自己的理論中發明了一個術語去抵消幾乎無處不在的引力，用以保持宇宙的恆定不變。愛因斯坦後來將這一術語(宇宙常數)稱為他一生中“最大的錯誤”。
宇宙常數
宇宙常數美國科學家埃德溫-哈勃的研究揭示了愛因斯坦的錯誤，讓天文學家放棄對靜態、穩定宇宙的原有認識，重新開始揭示一個奇異而令人困惑的宇宙。哈勃在自己的研究發現中採用了當時新發現的“宇宙捲尺”――稱為“造父變星”(Cepheidvariable)的一類特殊恆星。通過在威爾遜山天文台掃描天空，哈勃確定了天體――模糊星雲(被認為是銀河系中的氣態雲)的距離。
在前人的基礎上，哈勃的研究不僅表明，這些星雲是它們自己的星系，而且還通過測量它們隨時間而變化的速度，證實它們快速遠離地球。哈勃的研究還表明，距離銀河系越遠，這些星雲的速度越快。這種解釋聽上去很有道理，但其他星係為何加速離開地球的原因尚不得而知。大多數物理學家認為是暗能量在作祟，但他們尚不能準確確定這一原因。
引力場方程
哈勃定律
1929年﹐哈勃發現星系紅移的哈勃定律﹐確定靜態宇宙模型與實際不符。但有些學者﹐如愛丁頓﹑德西特﹑澤爾多維奇則認為宇宙常數可能有新的物理意義﹐不宜輕易拋棄。目前﹐學者們對宇宙常數的看法並不一致﹐有的認為是正值﹔有的認為是負值﹔有的認為是常數﹔有的則認為它隨時間而變化。但多數傾向於取正值﹐其物理意義可能代表宇宙真空場的能量－動量張量與可能存在於物質之間的斥力。估計宇宙常數的上限為10厘米。
宇宙常數
宇宙常數愛因斯坦首次用引力場方程來研究宇宙的整體，開創了理論宇宙學的新學科。在他提出“有限無界的靜態宇宙”模型時，已經感覺到了“宇宙有引力收縮的趨勢”，為了不讓這個不情願的趨勢破壞了美好的靜態，他特別引入了一個反引力的“宇宙常數”以抵消這種引力收縮的趨勢，從而人類失去了一項重大的科學預言的機遇。1929年哈勃觀察到星系光譜紅移和距離的線性關係，即所謂哈勃定律。人們把紅移歸結於宇宙的膨脹，並推論宇宙是由於一百多億年前的一次 大爆炸產生的，產生了標準的大爆炸宇宙學理論。當愛因斯坦得知了哈勃發現的“宇宙普遍在膨脹”的事實後，愛因斯坦承認自己引出的宇宙常數犯了一個關鍵性的最大錯誤。事實上，愛因斯坦在黑洞問題上最初也有反對意見。可事實是愛因斯坦的宇宙常數是正確的。
Hubble定律
Einstein當初根據他的場方程解出的宇宙是膨脹的，他認為宇宙應該是平直的，所以他人為的加入了一項宇宙學常數項，使得給出的結果是平直的宇宙。但隨著Hubble發現了Hubble定律，證實了宇宙的膨脹，Einstein去掉了這個常數項，並宣稱這是他“一生犯的最大的錯誤”。
然而今天，科學家重新引入了宇宙學常數項，這和當初Einstein引入以給出平直宇宙模型不同，現在的宇宙學常數項代表了暗能量和暗物質項，當然這也是會影響到宇宙的發展的，但現在這項是有意義的，而不是當初僅僅為了滿足個人觀念的需要。
經過多年的觀測和研究，人們不僅發現了宇宙在膨脹，而且隨著觀測手段和工具的日益先進，還發現了宇宙竟然在加速膨脹這似乎意味著有一種反引力的什麼作用在其中扮演了重要角色，科學家將這種尚不知道的反引力作用稱為“暗能量”。據此人們說，愛因斯坦的反引力宇宙常數似乎又要復活了。
暗能量
1998年，天文學家們發現，宇宙不只是在膨脹，而且在以前所未有的加速度向外擴張，所有遙遠的星系遠離我們的速度越來越快。那么一定有某種隱藏的力量在暗中把星系相互以加速膨脹的方式撕扯開來，這是一種具有排斥力的能量，科學家們把它稱為“暗能量”。近年來，科學家們通過各種的觀測和計算證實，暗能量不僅存在，而且在宇宙中占主導地位，它的總量約達到宇宙總量的73%，而宇宙中的暗物質約占23%、普通物質僅約占4%.我們一直以為滿天繁星就已經夠多了，宇宙中還有什麼能比得上它們呢？而現在，我們才發現這滿天繁星卻是“弱勢群體”，剩下的絕大部分都是我們知之甚少或乾脆一無所知的，這怎么不讓人感到驚心動魄呢！
事實上，早在1930年，就有天體物理學家指出，愛因斯坦那加入了宇宙常數的宇宙學方程並不能導出完全靜態的宇宙：因為引力和宇宙常數是不穩定的平衡，一個小小的擾動就能導致宇宙失控的膨脹和收縮。而暗能量的發現告訴我們，愛因斯坦那作為與引力相抗衡的宇宙常數不僅確確實實存在，而且大大擾動了我們的宇宙，使宇宙的膨脹速率嚴重失控。在經歷了一系列曲折後，宇宙常數正在時間中復活。
宇宙常數
宇宙常數宇宙常數今日以暗能量的面目出現在世人面前，它所產生的洶湧澎湃的排斥力已令整個宇宙為之變色！暗能量和引力之間的角力戰自宇宙誕生起就沒有停止過，在這場漫長的戰鬥中，最舉足輕重的就是彼此的密度。物質的密度隨著宇宙膨脹導致的空間增大而遞減；但暗能量的密度在宇宙膨脹時，變化得非常緩慢，或者根本保持不變。在很久以前，物質的密度是較大的，因此那時的宇宙是處於減速膨脹的階段；現今的暗能量密度已經大於物質的密度，排斥力已經從引力手中徹底奪得了控制權，以前所未有的速度推動宇宙膨脹。根據一些科學家的預測，再過200多億年，宇宙將迎來動盪的末日，恐怖的暗能量終將把所有的星系、恆星、行星一一撕裂，宇宙將只剩下沒有盡頭的寒冷、黑暗。
暗能量的發現，也充分地體現了人類認知過程又走進了一個“悖論怪圈”：即宇宙中所占比例最多的，反而是最遲也是最難為我們所知曉的。一方面人類現在對宇宙奧秘的了解越來越多，另一方面我們所要面對的未知也越來越多。而這日益深遠的未知又反過來不斷刺激著人類去探索宇宙背後的真相。
暗能量是怎么來的？它將如何發展？這已經是21世紀宇宙學所面臨的最重大問題之一。
理論宇宙學
愛因斯坦首次用引力場方程來研究宇宙的整體，開創了理論宇宙學的新學科。在他提出“有限無界的靜態宇宙”模型時，已經感覺到了“宇宙有引力收縮的趨勢，為了不讓這個不情願的趨勢破壞了美好的靜態，他特別引入了一個反引力的“宇宙常數”以抵消這種引力收縮的趨勢，從而人類失去了一項重大的科學預言的機遇。1929年哈勃觀察到星系光譜紅移和距離的線性關係，即所謂哈勃定律。人們把紅移歸結於宇宙的膨脹，並推論宇宙是由於一百多億年前的一次 大爆炸產生的，產生了標準的大爆炸宇宙學理論。當愛因斯坦得知了哈勃發現的“宇宙普遍在膨脹”的事實後，愛因斯坦承認自己引出的宇宙常數犯了一個關鍵性的最大錯誤。事實上，愛因斯坦在黑洞問題上最初也由反對意見。
誕生
愛因斯坦奮鬥了近10年才得到廣義相對論，這個理論源於他在1907年的關鍵想法:重力和加速運動是等同的，愛因斯坦以他有名的想像實驗來說明:一台電梯靜止於強度為g的均勻重力場中，另一台電梯在沒有重力場的空間中以等加速g前進，則這兩台電梯內的物理，會完全一樣。
愛因斯坦也受到奧地利物理學家馬赫的強烈影響，馬赫認為應該拋棄時空絕對坐標系的概念，在牛頓力學中，慣性指的是沒有受力的物體以固定速度運動的傾向，固定速度這個概念需要一個慣性的(沒有加速的)參考坐標系，但所謂沒有加速度究竟是相對於哪個坐標呢牛頓假設存在著一個絕對空間，一個用以定義所有局部慣性坐標系的靜止參考坐標系，不過，馬赫認為慣性坐標系是由宇宙中物質的分布所定義的，愛因斯坦的廣義相對論相當程度地實現了這個想法。
愛因斯坦的理論是頭一個有希望能夠完善地描繪宇宙的重力論，它不僅可以描述物體如何穿越時空，也可以描述時間和空間本身如何演變，當愛因斯坦利用他的新理論來描述宇宙的時候，他所追尋的是一個有限的，靜態的，滿足馬赫原理的解(例如，物質的分布如果僅局限於有限的空間範圍之內，則似乎不能滿足馬赫原理，因為馬赫認為我們需要物質以便定義空間)，這三項偏見使得愛因斯坦引入了宇宙項來建構一個靜態解，這個靜態宇宙解是有限的也是沒有邊界的—它會彎曲回來，像是氣球表面。
消亡
在1917年，荷蘭宇宙學家德西特證明了即使沒有物質，只要有宇宙常數，也可以找到一個時空解，這是非常不符馬赫原理的結果，後來人們發現德西特的模型並不是靜態的時空，俄羅斯物理學家佛里特曼在1922年建構了膨脹與收縮的宇宙，這個模型並不需要宇宙項，1929年美國物理學家哈伯發現宇宙在膨脹，在1930年，英國天文物理學家艾丁頓證明愛因斯坦的宇宙其實並不真的是靜態的:因為重力與宇宙項的平衡非常不穩定，些許的微擾就會導致急速的膨脹或收縮，1931年，因哈伯的發現使得我們“不必以宇宙項來抵消重力”，愛因斯坦就正式放棄了宇宙項，他說，“反正它的理論基礎也不令人滿意，”在接下來的60年裡，宇宙項被排除在宇宙學之外。
復活
愛因斯坦曾說，他這輩子犯下的最大錯誤是在廣義相對論方程式中加入“宇宙常數”，即一種他構想的未知宇宙能量。但美國天文學家說，根據哈勃太空望遠鏡的觀測結果，愛因斯坦沒錯，宇宙中確實存在被科學家稱為“暗黑能量”的神秘力量，這種能量在推動宇宙加速膨脹。
早先讓宇宙項復活的卻不是處理大宇宙尺度的相對論，而是處理小尺度世界的量子力學，但是宇宙項最令人驚訝的地方在於，即使愛因斯坦沒有因為一時困惑而將它引進理論之中，我們現在也了解到它的存在似乎還是無法避免，現今宇宙項復活的原因不在處理最大尺度宇宙的相對論，而在於量子力學，這個最小尺度世界的物理，我們對於宇宙項的嶄新觀點和愛因斯坦的不同，他原先的方程式(Gμν=8πGTμν)聯繫了空間的曲率(Gμν)和物質與能量的分布(Tμν)，其中的G是界定重力強度的牛頓常數，當愛因斯坦加進宇宙項時，他把它放在方程式的左邊，認為宇宙項是空間的性質〈意義改變了〉，但是如果我們把它移到方程式的右邊，意義就完全不一樣，它代表了一種怪異的新型能量密度。
新觀點
在探索宇宙演化的奧秘時，沒有什麼能像暗能量這樣讓科學家如此感興趣。現有理論認為，暗能量是一種因宇宙加速度膨脹而引發的力。
2006年1月11日，美國路易斯安娜州立大學的天文學家沙佛在美國天文學會會議上宣讀了一份研究論文，提出了一個新的觀點：暗能量施加的力可能隨著時間推移而發生變化。這個觀點對愛因斯坦提出的“宇宙常數”的正確性提出了新的質疑。沙佛在天文學會會上接受本報記者採訪時說：“我提出的觀點與愛因斯坦關於‘宇宙常數’的提法相左，這是描述暗能量如何隨時間而變的第一個研究成果。我們需要更多地去驗證這一成果，以獲得更多信息。”
沙佛的發現是基於對發生在遠至128億光年的伽馬射線大爆發的分析做出的。他發現，如果宇宙以不變的速度加速，這么遙遠的伽馬射線爆發，似乎應該比它被觀測到的要更加明亮。他說：“當你追溯往事時，宇宙越來越慢地向外推進。在某一點，暗能量的壓力是零，對宇宙並沒有施加力量。對這一點，現有理論無法給出解釋。”
沙佛的發現（首次試圖採用伽馬射線爆發來研究暗能量）所產生的結果，與觀察不同超新星爆炸所積累的證據不一致。對超新星爆炸的觀察提出，宇宙的膨脹正在按愛因斯坦的“宇宙常數”在加速。加州理工學院超新星宇宙學家埃里斯說：“採用伽馬射線爆發作為‘距離顯示器’的創意，是非常令人激動的。”他還說：“我不是說這種方法不好，問題在於現在還沒有方法來檢驗這一技術是否正確。”
1999年，科學家提出了暗能量理論，以解釋宇宙膨脹正在加速的事實。天文學家們認為，暗能量構成了70%%的宇宙，但他們不知道暗能量究竟是什麼。美國天文學會主席柯施諾說：“暗能量是如此不可思議。人人都在尋找辦法對它加以解釋。”
美國宇航局於2000年發射的高能瞬間探測衛星———HETE-2，以及2004年發射的雨燕號伽馬射線探測器，是目前觀測伽馬射線爆發的最好工具。這兩枚衛星都是用來定位和觀測伽馬射線爆發的。伽馬射線爆發一般持續幾毫秒至幾分鐘。沙佛分析了52次爆發，從中發現：最遙遠的爆發比用宇宙常數曾預測的爆發要明亮。這表明宇宙的膨脹曾經以比現有速度要慢的速度加速。
宇宙常數