爱因斯坦所说的宇宙常数和暗能量的区别是什么?

“从未犯过错误的人,也从未尝试过任何新的事物。”——爱因斯坦

1915年末在爱因斯坦首次提出广义相对论的时候,这个理论对宇宙时空的革命性构想就遭到了众多同行的强烈怀疑。而在往后的科学发展中相对论是被人们检验和审查最严格的理论之一。

广义相对论改变了我们的宇宙图景

根据爱因斯坦的说法,牛顿的引力只是一种错觉。物体之间并没有真正的相互施加引力,从而导致物体的加速度和动量的变化,而是整个宇宙都存在于一个时空框架中,物质和能量的存在弯曲了时空结构,而弯曲的时空导致物体在运动过程中的路线也发生了改变。

爱因斯坦的理论不仅在重力场较弱时可以简化为牛顿引力,而且还解决了困扰天文学家和物理学家近50年水星轨道异常进动问题。在1919年人们对广义相对论进行了第一次检验,观测到遥远星光的弯曲度符合广义相对论的预测(不符合牛顿定律的解释),至此我们的宇宙图景发生了革命性的变化。

爱因斯坦的宇宙常数

就是此时,引力方程的一个预测让爱因斯坦产生了困扰。当时人们认为宇宙是由恒星组成的,其相对均匀的分布在整个宇宙空间中,位置不会发生改变,而且恒星被认为是永恒的,不会随着时间的推移而发生变化,这就是一个稳恒态的宇宙模型

但是,这种假象会给爱因斯坦提出了一个非常严重的问题:引力方程预测出了一个不稳定的宇宙解!如果有一个大致均匀的、不完美的物质分布,那么时空就会因为物质的存在发生弯曲。一旦时空发生弯曲,那些比其他区域稍微多一点的物质就会优先吸引越来越多的物质,并随着时间的推移持续增长!

最终的结果就是,所有这些质量结构的命运,不管它们以什么形状开始,最终都会形成一个黑洞!

这显然不是我们宇宙的实际情况!在爱因斯坦的心理也有一个稳恒态的宇宙,那么到底发生了什么?于是爱因斯坦就决定把宇宙稳下来!

他知道引力定律并不会说谎,那么就一定有什么东西没有得到正确的解释。爱因斯坦推断,在大的星际尺度上,一定有什么东西在抵抗着引力。

爱因斯坦提出,空间本身有一种内在能量,称其为宇宙常数,其对宇宙的稳定负责。宇宙常数会抵消大尺度上的物质引力,并保证宇宙是静止的。

现代的宇宙常数和爱因斯坦的区别

现在,我们快进100年,看看现代宇宙图景。

事实上,宇宙并不是静止的,几十亿年以来一直在膨胀的。爱因斯坦所忽略的是,宇宙的大小远远超出了我们自己的银河系,其中包含了数千亿个与我们银河系相当的星系。这样的宇宙规模是在广义相对论提出数年后才被观测到的,因此爱因斯坦在那时能想到这些问题也是相当的了不起!也许是后来人们杜撰的,爱因斯坦把引入宇宙常数称为“最大的错误”

然而,自20世纪90年代末以来,我们已经意识到宇宙确实有一个非零的宇宙常数:那就是我们所说的暗能量,用来解释宇宙的加速膨胀!

你可能会认为,因为宇宙常数确实存在,而且是非零值,因为空间本身有一种内在的能量,也许爱因斯坦根本就没有犯错误。

但是在物理学中,我们提出了新的理论机制不仅要解释观测到的现象,而且还要预测迄今未观测到的新现象,这才是一个正确的理论物理学需要做到的事情!

但是爱因斯坦的宇宙常数在这两个方面都完全失败了。

爱因斯坦的宇宙常数不仅没有成功地解释,为什么我们星系中的恒星保持着大致稳定的结构(因为它们在准稳定的轨道上)而且也没有预测到宇宙膨胀的现象。如果当时爱因斯坦选择了膨胀的宇宙解而不是用宇宙常数解来解决宇宙还没有坍塌成黑洞的问题,那么这在当时又是一次最伟大的发现!

值得称道的是,爱因斯坦坦然地向自己和全世界承认,他的解决方案并不正确。即使在今天,回过头来看,认识到宇宙中确实存在一个宇宙常数/暗能量成分,爱因斯坦仍然是错的!

在物理或一般科学中,仅仅得到正确的答案是不够的。你需要以正确的理由得到正确的答案。宇宙常数一直都存在,但它与爱因斯坦提出的宇宙常数存在的理由无关,也不像爱因斯坦提出的那么大。有时候旧的想法会以新的形式出现来解决新的难题。

这就是爱因斯坦的宇宙常数和现代宇宙常数/暗能量的区别!

总结:现代的暗能量/宇宙常数怎么来的

上图是哈勃超深场,为我们揭示的宇宙星系。我们宇宙中包含了数千亿个星系向各个方向延伸了大约460亿光年。特别值得一提的是,目前有三组伟大的观测结果可以为我们提供关于宇宙最大尺度的许多信息。

  • 星系在最大尺度上聚集的方式

通过对宇宙星系大尺度结构的观察,我们可以看到宇宙中可见物质是怎样聚集在一起的,以及物质没有聚集到的地方。通过将各种已知的参数,例如:正常物质、暗物质、暗能量放入由广义相对论控制的模型中进行模拟,通过调节各种参数我们就可以模拟出宇宙中的结构应该如何形成。如果模拟和观测结果吻合,就能告诉我们宇宙中应该有什么。

  • 宇宙微波背景下的温度波动

通过观察微波辐射(CMB)中冷热点的温度波动,我们可以知道宇宙中物质密度是怎样分布的(冷点密度高,热点密度低),以及在宇宙只有38万年的时候,物质是如何聚集在一起的。

因为光在宇宙存在的138亿年里几乎一直在传播(传播了宇宙历史的99.997%),所以我们就可以得到关于宇宙在38万年的时候是什么样子的,以及从那以后宇宙是如何膨胀的。温度的波动模式还告诉了我们宇宙中各种成分的组合情况。

  • 对宇宙中已知物体不同距离和红移关系的直接观测

从变星到星系的性质,再到遥远的超新星,这一切都能帮助我们理解宇宙的距离阶梯。并且直接告诉我们宇宙是如何膨胀的,得出来的结论显而易见,宇宙在加速膨胀。

当这三个数据集结合起来,我们得知宇宙中的物质大约占了总质能的31-32%(其中85%是暗物质),那么剩下的68-69%就是暗能量了!

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