能不能用廣義相對論解釋宇宙為什麼在加速膨脹？
在二十世紀初之前，人們普遍認為宇宙是靜態的，空間的大小是不會變化的，就連愛因斯坦也是這麼認為。在1915年，他在創立廣義相對論後發現，引力場方程預示著宇宙空間不是靜態的，而是要麼在收縮，要麼在膨脹。為此，愛因斯坦自己給引力場方程中引入宇宙常數，它能抵消掉宇宙中物質的引力作用，從而使宇宙空間保持靜態。
然而，不久後，美國天文學家哈勃有了重大發現——宇宙中大多數星系的光譜竟然都表現為紅移，並且紅移值隨著距離的增加而成比例的增加，表明星系與我們的距離變得越來越遠，這意味著宇宙是動態的，空間正在膨脹。這個史無前例的發現打破了人們一直以來的固有認識，以至於愛因斯坦坦言在引力場方程中引入宇宙常數是他一生最大的錯誤。
到了二十世紀末，天文學家又有了重大發現。通過觀測河外星系中Ia型超新星的光譜，天文學家注意到宇宙空間在過去的擴張速度竟然比現在慢，表明空間的擴張速度正在加快，這顯然與廣義相對論的預言不符。因為如果宇宙中只有產生引力作用的普通物質，那麼，空間的膨脹速度勢必會變得越來越慢。於是，天文學家推測，宇宙中還存在著一種具有排斥引力作用的暗能量，曾經被詬病的宇宙常數似乎是正確的。
據估計，在宇宙的質能總和中，暗能量佔據了68%。不過，暗能量的排斥作用只有在宇宙尺度下才會起作用。而對於小尺度而言，引力作用仍然是主導，所以行星系、星系、星系團才能夠形成。
愛因斯坦在發現了廣義相對論理論之後就想把他的理論用來解釋宇宙，因為他知道用萬有引力定律解釋宇宙失敗了。由於牛頓的引力是瞬時傳遞的，宇宙中一個天體的運動會立刻影響全宇宙所有的天體，所以得不到一個靜態而且穩定的解。愛因斯坦覺得，既然廣義相對論沒有這個毛病，會不會能得到宇宙的靜態而且穩定的解呢？他發現，如果只有引力的話，宇宙不是膨脹就是收縮，無法和當時認為的靜態宇宙相符合。於是，聰明的愛因斯坦就在他的場方程裡面加了一項會抵消宇宙膨脹或者收縮的長程作用力，他把這一項叫做宇宙學常數，認為是真空的能量。但是很快哈勃就發現了宇宙並不是靜態的，而是是膨脹的，愛因斯坦就非常後悔，說加這一項是他人生最大的錯誤，否則他就預言了宇宙的膨脹，該是多麼偉大啊！於是愛因斯坦就在他的方程裡面又把這一項去掉了。
去掉了這一項雖然能夠讓宇宙膨脹，但是由於只有引力作用，宇宙的膨脹必須變得越來越慢。於是，精確測量宇宙膨脹的變慢速率，也就是減速因子，就成了天文學家的主要任務之一。一直到1998年，兩個團隊發現，儘管遠處、也就是很久以前的宇宙的膨脹確實是在減速，但是我們附近、也就是今天的宇宙的膨脹卻是在加速，而這是無法用只有引力的理論來解釋的，必須加上一項能夠抵消引力的一種能量才能解釋，這個能量就被稱為暗能量，而暗能量的性質竟然和被愛因斯坦加上又取消的宇宙學常數符合的非常好！這樣暗能量就被發現了，並且於2011年獲得了諾貝爾物理學獎。愛因斯坦如果能夠活到今天，肯定又後悔了！
但是，如果利用粒子物理學的理論去計算真空的能量，立刻就發現計算出來的能量密度比觀測所給出的結果高了10的120次方，還有比這錯的更離譜的科學理論嗎？很顯然暗能量並不是粒子物理學理論給出的真空能量！於是物理學家們就提出了各種各樣的暗能量理論去迎合和解釋暗能量。但是到底哪個理論是正確的，就必須通過實驗或者觀測去檢驗，並不是誰的理論好聽或者誰的嗓門大就能夠算數的。
既然在廣義相對論的理論框架裡面能夠用愛因斯坦的宇宙學常數解釋宇宙加速膨脹，但是，引起加速膨脹的原因並不是愛因斯坦最早提出的真空能，從這個角度看，廣義相對論對宇宙加速膨脹的解釋並不能令人徹底滿意。
那麼看來有兩個可能性：1）暗能量不存在，廣義相對論在應用到整個宇宙的時候出了問題，也就是廣義相對論理論需要修改，目前已有有了一些修改廣義相對論的理論，但是觀測和實驗結果並不能證明這些理論比廣義相對論對宇宙加速膨脹的解釋更好；2）的確存在暗能量，但是我們還不理解暗能量的本質。不管未來的科學研究證明哪個是正確的，我們對於引力理論和宇宙的理解都會進一大步，這就是為什麼宇宙加速膨脹的發現獲得了2011年的諾貝爾物理學獎。
PS：未經同意不得轉載（圖片來源網路）
TAG:易五月 |