前言:
暗物质暗能量的话题总会在非专业人群中引起很多讨论,引发一些似是而非的观点/说法。这里关于暗能量的问题,想以自己的理解,力所能及地用科学的精神科普一下。会尽量用任何人都能够比较容易理解的,基本不大涉及技术层面(式子/计算)的话简单概括。
一些由符号(? , ^)加上数字字母组成,用以辅助理解和继续挖掘的扩展脚注附在本体之后。唯一的极为简单的宇宙学红移z和膨胀尺度因子a定义式子在注释中。本体主要是关于暗能量;而如果阅者能全面理解本体之后将提到的,包含脚注内容的细节,那么大概就可以说不只是对暗能量,同时也对当代宇宙学/宇宙论有了系统性的基础理解了^f。
正文:
- 经过这20多年大量的,精密度比较高的宇宙学观测,针对不同的物理现象(如微波背景辐射(cosmic microwave background=CMB),星系退行等),对不同年代的天体(对应天体光谱的宇宙学红移z的大小)进行观测?0,以及进行严格的数据处理+系统误差统计分析发现,宇宙的膨胀率(遥远星系天体的退行速率)意义上,在宇宙学意义上的「最近」(z小于约等于0.5)开始出现了加速膨胀[1]。
- 在考虑了标准理论模型(相对论+宇宙论;量子场论+粒子物理标准模型等)中所有已知甚至未知(未被证实但非常可能的理论假设)的物理现象和定律后(包括物质粒子+相互作用等),基本都无法自洽地解释这种膨胀加速。
- 如何解决这个问题:
- 如果我们相信已知的标准理论模型(主要是广义相对论)在宇宙尺度上仍然正确,那么,考虑一种具有类似负压、斥力性质的能量,作为解释这种加速膨胀的来源的现象学模型,受到了学界的广泛支持——这就是暗能量。那么暗能量的理论依据和来源是什么?可能是宇宙学常数,也可能是真空能(存在其他答案提到的巨大的量级鸿沟问题?1:宇宙学常数问题(cosmological constant problem=CCP)[2],也可能是一种超越粒子物理标准模型的场等[2][3]。
- 另一方面,也可能广义相对论等我们熟悉的理论在宇宙学尺度和全宇宙上不再适用,需要进行修正和改进,打打补丁。用这些补丁可能带来的,在宇宙学超大的尺度上表现出的不同于广义相对论预言的效果,来解释这种加速膨胀。与之相关的是一类叫做修正引力(modified gravity=MG)的理论,作为暗能量的替代解释。
4. 最后,也存在的另一种可能(可能性不大):暗能量确实不存在,上面提到的所谓的「加速膨胀「是一种观测偏差(bias)/误差/错误/疏漏等……
- 仪器等带来的系统误差出现的可能性微乎其微,1. 中黑体字已点到,这些都经过了大量严密的数据误差处理和统计分析(虽然这些分析也部分依赖于一些模型和假设,也包含一些我们难以化解的根本性困难,如cosmic variance,但是这一切都有严密量化和置信度分析等,这是科学的统计计量必须的)?2
- 对物理现象考虑不充分的可能性存在,比如天体物理而非宇宙学的现象,尤其是我们地球和银河系周围的?3。这个方面,较有希望作为解释的一种方向是:我们周边,太阳系/银河系/本星系团等所处的环境其实在宇宙中是相对特殊的,比如处在一个显著的低密度或者高密度泡中,又或者我们对于自己及周边环境的自身运动(peculiar motion)了解的不充分等等?3。这些因素,可能会成为我们对宇宙观测结果的系统bias。另一方面,极低能现象在观测上极难,就像我们对星系团和星系等中的气体分布远没有宇宙中的星系分布了解一样(得益于最近20多年的精密巡天)。议论这些方面可能性论文这几年还是有一些的。
总结:
不能打包票说暗能量被证明真实存在,但是可以比较有把握的说:宇宙加速膨胀现象是真实存在的。暗能量是解释这种加速膨胀现象的一种相对简洁自然的?1,被广泛接受且内涵深度(新物理?)和可扩展性不错的,超越标准理论范畴的现象学模型?4。当然,如上文已经提到的,作为其理论基础,也有各种理论模型来提供暗能量这种现象的物理本质和物理来源是什么的猜测(各种需要验证)。某种程度上,修正引力等理论和暗能量理论存在竞争关系。
(正文本体结束。下面的脚注有些内容偏离了暗能量本身,涉及到当代宇宙学/宇宙论的全局,包括会涉及到暗物质等。对扩展细节不在意的话,可以全部略过不看)
脚注(主干级)
?0: 关于宇宙学红移
光是一种电磁波,可以具有不同的波长/频率(ref. 电磁波谱),对应不同的单光子能量。宇宙学红移z是指观测到的遥远天体的光谱(包含我们熟悉的各种元素的吸收峰/发射峰)的所有波长段,其谱线整体地/全局地红移,波长变长的一种现象。类似运动的声源带来的声音频率变化,声波的多普勒现象。此处即光波的多普勒现象。一般用宇宙学红移z来定量化其波长相对于原波长变化的比例,定义如下:
λ为光波波长,z为宇宙学红移,a为宇宙的尺度因子,一般习惯于将今天的时代设定为 (z=0)。通过观测不同宇宙学红移z的天体,我们可以了解宇宙整体的演化历史,主要是膨胀(速率)史。这是暗能量被提出的历史线索,也是主要依据之一^a。
?1:关于暗能量量级大小问题,虽然这里有上面提到的CCP以及与之相关的精细调制/调制(fine tuning)问题 ^b,甚至可以扯到人择原理等话题上,但这属于发散的技术细节了。
?2:这类困难的一个例子是cosmic variance,有不同的定义和阐释方式(根据不同convention也可以说有几种不同的来源),但主要可以概括为:我们只有一个可观测宇宙,而且我们只能从这个宇宙中的一个点来观测这个宇宙 ^c。这方面,宇宙结构形成的模拟(simulation)对于构建和检验理论起到了很大帮助^c。
?3:对于加速膨胀大体需要宇宙结构形成的线性(大)尺度上,本地低密度泡/空洞(local void)来解释。此处」本地「是在包含银河系所在的星系团乃至超星系团的意义上。实际上根据结构形成的物质场流体 (fluid)理论,这样的local void中的天体也有与之相关的自身运动peculiar motion的速度场,包括线性fluid motion+非线性random motion(引力束缚相关),就像与之对应/对偶的,在物质丝网结构(filaments)上的天体有向中心坍缩的大趋势/速度场一样(虽然一般来说filaments不是引力束缚系统,一般不被认为是「天体」,而是交由随后将提到的宇宙结构形成理论去处理)。另一方面,我们对于宇宙的非线性(小)尺度上的天体物理的细节还没有了解透彻^d。
?4:包含暗能量+暗物质的现象学模型/唯象模型[3],一般也叫做宇宙学的 标准模型(Lambda-CDM/LCDM模型)—— 是指代宇宙学常数的符号,常作为最简洁的暗能量模型;CDM指冷暗物质^e 。这个模型可以定量、精确,且自洽地解释天文巡天观测到的:
(1) 星系退行速率(俗称哈勃-勒梅特定律,Hubble-Lemaitre law) (2) 宇宙微波背景辐射CMB,著名的2.725K温度的宇宙热大爆炸余辉(和与之相关的是观测到的星系分布和密度涨落) (3) 热大爆炸(轻)元素核合成(big-bang nucleosynthesis=BBN)带来的轻元素的初始丰度等绝大部分事实。在较大尺度上,不仅是宇宙中物质和辐射背景中,各物理量的均一、各向同性的平均值,且其涨落功率谱上的非均一性(inhomogeneity)以及各向异性(anisotropies)等,都符合从LCDM模型生发出的宇宙结构形成的标准摄动理论(standard perturbation theory=SPT)的预测,虽然这部分和冷暗物质关系或许更大一些。(虽然此问没问暗物质,但同时这也是当代宇宙学支持暗物质的重要依据——星系的旋转曲线是提出暗物质的动机和导火索,但观测到宇宙的结构形成模式不依赖冷暗物质很难说明。)
较小尺度上,由于非线性现象导致的不可预测性+一些天体物理现象的缺乏了解限制^d,导致了宇宙学能做的事情不够多,更多是属于天体物理学的范畴了。不过也有很多把SPT扩展到准线性领域的不错尝试,虽然模型和解析式会变得复杂,丧失很大一部分简洁性和美感。狭义上,LCDM现象学模型没有说「暗能量是什么」,而是说」按照这种性质「,从一定的初始条件出发^f.(4),宇宙会怎样演化,其中的结构会怎样形成,从而来和天文巡天观测结果比对。大体来说,LCDM模型的预测和天文宇宙巡天的对多种现象观测结果,在相当高的精度下高度相符,取得了巨大成功(虽然也有部分结果依赖一些建模和假设,但主要是琐碎的非线性的部分)。
这也就是为什么暗能量和暗物质被广泛接受的原因(当然,历史上,先有CDM,再有LCDM)。
(接下来的对脚注的脚脚注涉及更多细节,不想关注细节琐碎问题的可以略过了,主要面向看了脚注产生了更多疑问的人 )
脚脚注(细节级)^_^;;
^a:
此处算式是一阶线性多普勒性效应,对应宇宙学膨胀和宇宙学红移z。实际上对于广义的多普勒效应,我们还可以有横向二阶乃至相对论效应(略)。
既然宇宙一直在膨胀,且离我们越远的天体的光抵达我们需要的时间越久,实际上我们看到是遥远天体更早时代时的」像「。那么直观上,从发出到被我们接收到的光,传播得越久受到宇宙学膨胀的影响就越久,所产生的的宇宙学红移就越大。所以不同的宇宙学红移的天体实际也对应了不同的时代,一般习惯将今天/我们现在所处的时代对应的的宇宙(z=0),设定为a=1/(1+z)=1。
注意哈勃-勒梅特定律只是我们的近旁/近邻宇宙的线性近似关系,星系退行速率对应的宇宙学红移z,与其离我们的距离之间关系,实际上比简单正比更加复杂一些。可以用T表示宇宙的(平均)温度,t表示宇宙时间(或者宇宙年龄),H表示宇宙的膨胀率,只需记住宇宙学意义上的
H(膨胀率)~t(年龄)~z(红移)~a(尺度因子)~T(温度)
之间存在函数对应关系。宇宙膨胀率H(a(t))有时也被叫Hubble rate或者Hubble parameter,其实可以写成尺度因子a对时间的导数和a自身的比例(定义)。
换句话说,哈勃常数只是现在这个时代的宇宙膨胀率 . 此处可以有一张图(毫无诚意地直接截自slide,原图来自[R.P.Kirshner 2004]的论文[4],是的,就是懒……):