宇宙加速膨脹(宇宙加速膨脹與星系自轉(zhuǎn)曲線異常)

宇宙為何加速膨脹？

地球，太陽系，包括整個銀河系和離我們最近的幾千個星系，都在一個直徑為2.5億光年的巨大“泡泡”結(jié)構(gòu)中運行。我們看似巨大的結(jié)構(gòu)在宇宙中只是微不足道的一粒沙塵，宇宙中還有很多類似的巨大結(jié)構(gòu)，組成了可觀測宇宙，而可觀測宇宙又是整個宇宙的一個小小的斑點。宇宙巨大到無法想象，不過對于天文學(xué)家來說，比宇宙的大小更令人難以琢磨是宇宙的膨脹演化和宇宙的未來。

自138億年前，宇宙經(jīng)歷大爆炸誕生以來，它就一直在膨脹，這一理論最初是由比利時的喬治·勒邁特提出的，而埃德溫·哈勃則首先證明了這一觀點。天文學(xué)家在1929年就發(fā)現(xiàn)，每個星系都在遠(yuǎn)離我們，這也表明過去有一段時間所有星系都位于同一地點，這個時間對應(yīng)的就是宇宙的起源，也就是大爆炸。

宇宙膨脹還意味著，無論我們身處哪個星系，其他的星系都在遠(yuǎn)離我們，也就是說星系并沒有在太空中移動，而是在宇宙空間本身在擴大。換句話說，宇宙沒有中心，一切都在遠(yuǎn)離其他的一切。聽起來好像很矛盾，我們可以想象在一個1000萬光年之內(nèi)有一個星系的空間參考系網(wǎng)格，網(wǎng)格的對角有兩個星系，那么經(jīng)過足夠的時間后，該網(wǎng)格將伸展，星系將離得更遠(yuǎn)，如果時間足夠，這兩個星系之間的距離將是無限的。

天文學(xué)家們?yōu)榱私忉層钪媾蛎洠€拿了一塊葡萄干面包。我們可以想象宇宙是這個葡萄干面包本體，隨著面包自己在膨脹，在里面的葡萄干的距離越來越遠(yuǎn)，但是值得注意的是，葡萄干，也就是這些星系仍然停留在面團中，星系自己其實沒有動。回到宇宙當(dāng)中，星系（葡萄干）可能會在某一時刻消失，我們再也看不到了，因為宇宙膨脹的速度如此之快，以至于它們的光從未到達過地球。

伴隨宇宙膨脹而來的哈勃常數(shù)

確實，宇宙一直在膨脹，但是宇宙膨脹的有多快呢？說到這里，我們要說的一個理論名為哈勃常數(shù)，哈勃常數(shù)其實就是用來計算宇宙隨時間膨脹的速度。天文學(xué)家自2005年以來一直在用哈勃望遠(yuǎn)鏡探索并細(xì)化這些距離測量，測量之后天文學(xué)家們還需要對哈勃常數(shù)進行微調(diào)。在最新的研究中，天文學(xué)家使用哈勃望遠(yuǎn)鏡觀察了大麥哲倫星云中的70顆造父變星的光度變化，測試的結(jié)果使天文學(xué)家們對哈勃常數(shù)的不確定度從早期估計的2.2%降低到了1.9%。

研究人員利用所有這些信息計算現(xiàn)代宇宙的膨脹率，新的數(shù)值是每326萬光年范圍內(nèi)，宇宙每秒膨脹74.03公里。天文學(xué)家之后對數(shù)值進行了多次計算，這個數(shù)字的不確定性，也就是錯誤率僅為1.9％。這是迄今為止計算得出的最低的宇宙膨脹錯誤率值，低于2001年的10％和2009年的5％。相比之下，天文學(xué)家預(yù)期估算的擴展速率約為每326萬光年范圍內(nèi)，宇宙每秒膨脹67.40千米。

宇宙為何一直在加速膨脹？究竟是誰造成的？

大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，宇宙膨脹的力量是由于暗物質(zhì)和暗能量的相互作用，導(dǎo)致新物質(zhì)的不斷產(chǎn)生，填補了宇宙的空間，使恒星之間的距離變大，這就是宇宙膨脹的真相。一些科學(xué)家做過這樣的氣球?qū)嶒灒瑲馇虮砻嬗袩o數(shù)的斑點，然后氣球被慢慢炸飛，斑點代表宇宙的恒星，而氣球的膨脹象征著宇宙的膨脹，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，隨著氣球的膨脹，斑點之間的距離將繼續(xù)擴大，速度將逐漸加快。

當(dāng)光斑距離擴大時，吹氣分子填補兩個光斑之間的空隙。也就是說，宇宙膨脹的本質(zhì)不是受某種重力或排斥力的影響，而是新物質(zhì)的產(chǎn)生，推動恒星之間的距離迅速擴大，眾所周知，宇宙的框架是由暗物質(zhì)和暗能量組成的。暗物質(zhì)產(chǎn)生的引力將減緩宇宙的膨脹，而暗能量產(chǎn)生的力則相反會加速宇宙的膨脹。

然而，暗物質(zhì)和暗能量是相互對立的，一直處于相互斗爭的狀態(tài)，然而，目前，人類對它們的研究和理解非常有限。然而，仍然可以推斷，宇宙的膨脹可能沒有上限，宇宙膨脹的這種加速意味著宇宙在空間結(jié)構(gòu)中包含的一些未知能量的推動下分崩離析。這種所謂的暗能量占據(jù)了宇宙的絕大部分組成，含量超過 70％。

這種暗能量最初只占宇宙的一小部分。然而，隨著物質(zhì)在宇宙膨脹過程中逐漸稀釋，暗能量變得越來越重要。它的本質(zhì)仍然是一個謎，也許是當(dāng)今物理學(xué)面臨的最大難題。宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)使我們邁出了奠定基礎(chǔ)的第一步，最終得出了今天的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)觀點，即，宇宙誕生于大約 137億年前的一次大爆炸中。

關(guān)于宇宙為何一直在加速膨脹究竟是誰造成的的問題，今天就解釋到這里。

宇宙為什么在加速膨脹？是因為有一種推動力那就是“暗能量”

一種被稱為暗能量的神秘物質(zhì)構(gòu)成了宇宙的近四分之三，然而科學(xué)家們不僅不確定它是什么，而且也不確定它是如何運作的。那么，科學(xué)家是如何知道暗能量的存在的呢？源頭又在哪里呢？

先說宇宙在膨脹：

1929年，美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃研究了被稱為超新星的爆炸恒星，以確定宇宙正在膨脹。從此以后，科學(xué)家們一直在試圖確定宇宙膨脹到底有多快。我們都知道有種引力的存在，引力-把一切聯(lián)系在一起的力量-會抑制宇宙的擴張，所以很多人問的問題是，宇宙膨脹有多慢？

在20世紀(jì)90年代，兩個獨立的天體物理學(xué)家團隊再次把目光轉(zhuǎn)向遙遠(yuǎn)的地方。超新星計算減速，令他們驚訝的是，他們發(fā)現(xiàn)宇宙的膨脹并沒有減慢，而是加速了！一定有某種東西在對抗重力，科學(xué)家們稱它為“暗能量."

通過計算克服重力所需的能量，科學(xué)家確定暗能量約占宇宙的68%。暗物質(zhì)又占27%，剩下我們熟悉的“正常”物質(zhì)只占我們周圍宇宙的不到5%。

因為我們對暗能量了解特別少： 暗能量是驅(qū)動宇宙運動的一種能量。它和暗物質(zhì)都不會吸收、反射或者輻射光，所以人類無法直接使用現(xiàn)有的技術(shù)進行觀測。 未知的暗能量的性質(zhì)仍有待進一步研究。最近的觀察表明，暗能量在宇宙的 歷史 上一直存在，這提供了一些關(guān)于看不見的物質(zhì)的洞察力。

約二十年前，一項研究表明我們的宇宙正在膨脹，而膨脹的速率不是恒定或減慢，而是在加速。這項研究在2011年被授予了諾貝爾物理學(xué)獎。 學(xué)者們認(rèn)為暗能量的密度可能是一種宇宙常量，而真空則提供了宇宙膨脹的動力。

然而，主流理論認(rèn)為暗能量是空間的屬性。愛因斯坦是第一個明白空間不僅僅是空的。他還了解到，更多的空間可以繼續(xù)存在。在他的理論中廣義相對論，愛因斯坦包括宇宙學(xué)常數(shù)來解釋科學(xué)家認(rèn)為存在靜止的宇宙。哈勃宣布宇宙膨脹后，愛因斯坦稱他的常數(shù)為“最大的錯誤”。

但愛因斯坦的錯誤可能是最佳配合暗能量。預(yù)測空間可以有自己的能量，常數(shù)表明，隨著空間的增加，宇宙將增加更多的能量，從而增加宇宙的膨脹。雖然宇宙學(xué)常數(shù)與觀測結(jié)果相吻合，但科學(xué)家們?nèi)匀徊淮_定為什么會這樣？

暗能量與暗物質(zhì)

暗能量占宇宙的絕大部分，但是暗物質(zhì)也涵蓋了相當(dāng)大的一部分。暗物質(zhì)約占宇宙的27%，占物質(zhì)的80%，暗物質(zhì)也起主導(dǎo)作用。

就像暗能量一樣，暗物質(zhì)繼續(xù)困擾著科學(xué)家。雖然暗能量是解釋宇宙膨脹的一種力量，但暗物質(zhì)解釋了物體群是如何一起工作的。

暗物質(zhì)(Dark Matter)是一種比電子和光子還要小的物質(zhì)，不帶電荷，不與電子發(fā)生干擾，能夠穿越電磁波和引力場，是宇宙的重要組成部分 。暗物質(zhì)的密度非常小，但是數(shù)量龐大，因此它的總質(zhì)量很大，它們代表了宇宙中27%的物質(zhì)含量，其中人類可見的只占宇宙總物質(zhì)量的5%不到(約4.9%)。暗物質(zhì)無法直接觀測得到，但它能干擾星體發(fā)出的光波或引力，其存在能被明顯地感受到。

在20世紀(jì)50年代，研究其他星系的科學(xué)家根據(jù)星系內(nèi)部物體的分布，預(yù)計引力會使中心旋轉(zhuǎn)得比外部邊緣更快。令他們驚訝的是，這兩個區(qū)域的旋轉(zhuǎn)速度是一樣的，這表明螺旋星系的質(zhì)量比表面看起來要大得多。對橢圓星系內(nèi)部的氣體和星系團的研究表明，這種隱藏的物質(zhì)散布在整個宇宙。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了有許多暗物質(zhì)，難以置信的昏暗物體到奇怪的粒子。但是， 無論暗物質(zhì)和暗能量的終究來源是什么 ，很明顯，宇宙還有各種未解之謎，等待科學(xué)家們?nèi)?探索 發(fā)現(xiàn)，目前一些科學(xué)儀器局限性，期待你們?nèi)?探索 。

為什么說現(xiàn)在的宇宙是加速膨脹的

因為科學(xué)家觀察星系時，發(fā)現(xiàn)光譜的譜線并不在它的標(biāo)準(zhǔn)位置上，而是所有的譜線的波長都加長了，并且距離越遠(yuǎn)，此現(xiàn)象越明顯，也就是譜線向紅端移動，這種現(xiàn)象就是譜線紅移，簡稱紅移。之所以說宇宙加速膨脹，關(guān)鍵是：距離越遠(yuǎn)，紅移越明顯，這說明宇宙膨脹沒有停止。可能有人會質(zhì)疑宇宙會不會勻速膨脹，減速膨脹，這都有可能。但是加速度本身就存在正、負(fù)加速度，和0加速度，同樣膨脹的加速度，也存在正、負(fù)和0。總之現(xiàn)在宇宙還在紅移，就說明宇宙還在膨脹，所以說宇宙加速膨脹。

“宇宙是加速膨脹的”這個說法正不正確，有什么理論依據(jù)？

自打有人類文明時，人類就開始仰望星空，并且開始思考許多終極的奧義。比如：宇宙到底是什么樣子的？

客觀地說，人類拿出第一個像樣一點的科學(xué)理論就是：地心說。很多人會認(rèn)為地心說是偽科學(xué)。實際上，這個觀點是有問題的。我們且不說地心說本身，我們單純從高中學(xué)過的參照系的知識來看這個問題，其實地心說和后來的日心說區(qū)別并不大，只是選擇的參考系不同而已。

客觀地說，地心說是非常符合科學(xué)范式的。在當(dāng)時的觀測技術(shù)下，地心說其實已經(jīng)夠用，它和許多觀測現(xiàn)象是很吻合的。不僅如此，地心說其實是一個套非常嚴(yán)密的理論體系。而人類構(gòu)造地心說足足花了600年左右的時間，從畢達哥拉斯一直到托勒密。

后來，到了歐洲的中世紀(jì)，哥白尼提出了日心說，哥白尼的日心說其實和托勒密的地心說比起來，精度度是差不多的，并沒有多少超越。

但我們?nèi)缃褚廊缓芴岢绨啄岬木瘛Ｔ蚓驮谟诟绨啄嶙屇莻€時代的學(xué)者知道，地心說并非是絕對的權(quán)威，我們?nèi)祟惪梢宰非蟾玫睦碚擉w系。于是，在第谷、伽利略、開普勒的努力之下，人類對于宇宙的理論更加深入。后來，牛頓橫空出世，提出了牛頓三定律和萬有引力定律，統(tǒng)一了地球上和宇宙的物理學(xué)。

但是，萬有引力讓牛頓感到十分為難，為什么這么說呢？

我們知道，萬有引力描述的是物質(zhì)之間的引力，萬物皆有引力。那按照這個想法，宇宙應(yīng)該在引力的作用下逐漸向中心聚攏，最后收縮到一個點上。

但事實上，我們并沒有發(fā)現(xiàn)任何這方面的天文學(xué)現(xiàn)象。因此，這就說明萬有引力定律和現(xiàn)實發(fā)生了相互矛盾。牛頓當(dāng)時很糾結(jié)，他提出了一個解決辦法，他認(rèn)為宇宙應(yīng)該是無限大的。如果是這樣的，宇宙就沒有中心，或者說是處處都是中心，那么處處都會呈現(xiàn)引力的動態(tài)平衡，也就不會像中心聚攏了。

奧伯斯佯謬

牛頓開始完美地解決了這個問題。但實際上，很多學(xué)者是不服的。比如，牛頓之后100年，有一位學(xué)者叫做奧伯斯。

他就提出，如果宇宙是無限大的，那么意味著宇宙中存在著無限多的恒星，我們知道恒星都會發(fā)生，那么無限多的恒星發(fā)光，就應(yīng)該把地球的天空照亮，地球也就不應(yīng)該會有黑夜了，這就打臉了牛頓的觀點。

這也被稱為奧伯斯佯謬。我們還無法驗證牛頓這種“宇宙無限大”的想法，但我們已經(jīng)知道奧伯斯的這個想法也是有問題，首先，光傳播也是有速度的，而不是瞬間的。其次，宇宙是有年齡的。基于這兩點，就意味著并不是所有恒星發(fā)出的光都來得及到達地球。

標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型

到了近現(xiàn)代，愛因斯坦提出了大名鼎鼎的廣義相對論。在這個理論當(dāng)中，有一個描述宇宙形態(tài)的方程，被稱為引力場方程。愛因斯坦就發(fā)現(xiàn)：引力場方程預(yù)示著宇宙正在膨脹。

不過，愛因斯坦一直堅信：宇宙是永恒的，也就是說，宇宙是不隨著時間變化的。于是，愛因斯坦在引力場方程中加了一個宇宙學(xué)常數(shù)，只要對宇宙學(xué)常數(shù)合理取值，就可以抵消宇宙的膨脹效應(yīng)。

不過，愛因斯坦不久就迎來了打臉。當(dāng)時，有個天文學(xué)家叫哈勃。他在觀測銀河系外的大部分星系時，他就發(fā)現(xiàn)，星系都在遠(yuǎn)離我們，而且是距離的逐漸變遠(yuǎn)，而且是越遠(yuǎn)，遠(yuǎn)離我們的速度越快。

如果這是天體在運動，那應(yīng)該是應(yīng)該是有的在靠近我們，有的在遠(yuǎn)離，而不是他觀測到的現(xiàn)象。于是，就有科學(xué)家提出，宇宙膨脹是符合哈勃的觀測結(jié)果，而且也符合愛因斯坦的引力場方程的描述。

據(jù)說，當(dāng)愛因斯坦得知哈勃的方向時，就表示給引力場方程添加一個宇宙學(xué)常數(shù)是他一生當(dāng)中做過最后悔的一件事。

按照哈勃的發(fā)現(xiàn)，似乎宇宙學(xué)常數(shù)應(yīng)該被請出引力場方程。可萬萬沒有想到，這件事情后來又發(fā)生了反轉(zhuǎn)。

按照理論，宇宙大爆炸之后，宇宙發(fā)生劇烈的膨脹。但是我們所處的是一個物質(zhì)主導(dǎo)的宇宙，物質(zhì)是體現(xiàn)出引力作用的。因此，膨脹的速度會因為物質(zhì)的引力，呈現(xiàn)出減速膨脹。科學(xué)家也一直是這樣的認(rèn)為。可是，就有科學(xué)家公布了他們觀測Ia型超新星的結(jié)果，這個結(jié)果告訴我們，宇宙非但沒有減速膨脹，相反，宇宙在加速膨脹。

那為什么宇宙會發(fā)生加速膨脹的呢？

科學(xué)家其實也沒有完全搞懂，他們發(fā)現(xiàn)宇宙中存在著一種我們觀測不到的物質(zhì)，它可以提供與引力相反的作用：斥力。它還和真空有關(guān)，當(dāng)宇宙的空間越大，斥力的作用就越明顯。科學(xué)家把這種物質(zhì)叫做：暗能量。除了暗能量，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)另外一個種也是觀測不到的物質(zhì)：暗物質(zhì)。

暗物質(zhì)和物質(zhì)一樣，是提供引力的。不過，根據(jù)目前的最新觀測結(jié)果，我們知道暗能量占據(jù)了絕對的主導(dǎo)，占比遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過暗物質(zhì)和可見物質(zhì)，這才使得宇宙加速膨脹。

讓宇宙加速膨脹的是什么呢？

物理學(xué)家提出，宇宙中存在著額外的成分，這或許可以解釋宇宙的膨脹速度為什么比預(yù)期的要快。

宇宙膨脹的速度比科學(xué)家預(yù)測的快得多，這是宇宙學(xué)中最難以解釋的異常現(xiàn)象之一。根據(jù)對宇宙大爆炸后不久后釋放的輻射（宇宙微波背景輻射）進行測量，物理學(xué)家預(yù)測了宇宙的膨脹速率，即所謂的哈勃常數(shù)。這些輻射揭示了早期宇宙的精確成分。宇宙學(xué)家將這些成分代入宇宙演化模型中，并將模型向前運行，以觀察今天的宇宙空間應(yīng)該以多快的速度膨脹。

然而，模型預(yù)測的結(jié)果并不準(zhǔn)確：在對脈動變星和爆發(fā)的超新星等天體進行觀察時，宇宙學(xué)家看到的是一個加快膨脹的宇宙，其哈勃常數(shù)也更大。

這種被稱為“哈勃沖突”（Hubble tension）的現(xiàn)象一直存在，即使所有的測量手段都變得越來越精確。一些天體物理學(xué)家仍在爭論這一差異是否只是測量誤差。但可以確定的是，如果這種差異真實存在，那就意味著宇宙學(xué)家的宇宙模型中缺少某些東西。

近年來，理論物理學(xué)家一直在推測新的宇宙成分，這些成分一旦加入標(biāo)準(zhǔn)模型，就可以導(dǎo)致宇宙的膨脹速率加快，使其與觀測值相符。

“發(fā)現(xiàn)異常是科學(xué)進步的根本途徑，”哈佛大學(xué)的宇宙學(xué)家阿維·勒布說道。他是數(shù)十位試圖解決“哈勃沖突”的研究者之一。接下來，就讓我們來了解一下解釋宇宙加速膨脹的一些最重要的理論。

衰變的暗物質(zhì)

宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型包含了所有我們熟悉的物質(zhì)和輻射形式，以及它們之間的相互作用；它還包括被稱為暗能量和暗物質(zhì)的不可見物質(zhì)，二者加起來構(gòu)成了96%的宇宙。由于人們對這些黑暗部分知之甚少，因此它們可能是修改標(biāo)準(zhǔn)模型時最容易想到的地方。“這就是可以任你改變宇宙膨脹速率的部分，”阿維·勒布說道。

標(biāo)準(zhǔn)模型假設(shè)暗物質(zhì)由不與光相互作用的緩慢粒子組成，但如果我們也假設(shè)，暗物質(zhì)并非由單一物質(zhì)構(gòu)成的呢？我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多不同種類的可見粒子——夸克、電子等等——因此可能也存在著多種暗粒子。

阿維·勒布和兩位合作者提出了一種暗物質(zhì)形式，能衰變?yōu)橐环N較輕的粒子和一種無質(zhì)量的粒子，即暗光子。他們推斷，隨著時間的推移，越來越多的暗物質(zhì)衰變，導(dǎo)致其引力減弱，從而使宇宙加速膨脹。于是，“哈勃沖突”便迎刃而解。

然而，對標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型進行這樣的小改動可能會產(chǎn)生不必要的連鎖反應(yīng)。美國約翰·霍普金斯大學(xué)的理論物理學(xué)家馬克·卡米奧科夫斯基說：“提出各種各樣的微小修改很容易，但如果不破壞模型與其他大量天文觀測結(jié)果的完美契合，就很難做到這些。”

通過改變暗物質(zhì)的衰變速率和每次衰變的量，勒布和同事最終確定了一個暗物質(zhì)衰變的模型。他們表示，該模型仍然與其他天文觀測結(jié)果一致。“如果你把這個成分加入到標(biāo)準(zhǔn)的宇宙學(xué)模型中，一切都能很好地結(jié)合在一起，”勒布說道。

不過，勒布仍然不大滿意暗物質(zhì)衰變理論，部分原因是該理論在方程中引入了兩個新的不確定量。他說：“在這種情況下，你是通過添加兩個自由參數(shù)來解決一個差異，我對此感到不安。”他將衰變的暗物質(zhì)比作托勒密地球中心宇宙體系中的本輪，“我寧愿用一個參數(shù)來解釋兩個差異”。