暗能量

title: 暗能量的相关解释.
content: 虽然暗能量存在的证据都来自于间接推测,但有三个主要证据支持:  目前通常假设,暗能量在宇宙中各向同性,密度非常小,且不与通常物质发生任何除引力之外的已知的相互作用(即电磁,强,弱相互作用)。暗能量的密度又非常之小,大概10 g/cm3,因此地球上的实验室应当很难直接发现它。但是因为暗能量应该充满了所有的宇宙空间,因此它占宇宙质能总量的68%,这显著地影响了宇宙整体的演化。目前的两类暗物质理论——宇宙常数理论和基本标量场理论,都包含了暗能量的两种重要性质——均匀和负压。
title: 关于暗能量的“负压”.
content: 根据广义相对论,造成引力效应的时空弯曲不仅仅受物质的质量影响,也受到物质不同部分之间的应力的影响。其中,压强是物质的应力的一种形式。物质的质量密度、动量密度和物质的应力张量共同组成了物质的能动张量,共同决定了时空曲率。因此,从由广义相对论推导出的弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规解中,能看出足够强的负压对宇宙演化的影响:当 formula_1时,如果宇宙已经在膨胀,负压将使宇宙加速膨胀,而如果宇宙已经收缩,它又将使宇宙停止收缩重新膨胀。  该加速效应有时被称作“引力排斥”,但负压并不会造成个别物质之间的排斥作用,它们仍然是相互吸引的。但是,负压充斥宇宙,却会造成类似宇宙背景时空整体被吹涨的效应,结果是宇宙加速膨胀了。
title: 暗能量存在的具体观测证据.
title: 超新星.
content: 1998年,高红移超新星搜索队观测组发表了Ia型超新星的观测数据,显示宇宙在加速膨胀。随之,1999年,超新星宇宙学计划证实了该结果。该项工作于2011年获得诺贝尔物理学奖。  Ia型超新星可被视为测量大尺度长度的标准尺。这种超新星爆发时的绝对星等都一样,只要观测到他们的视星等,就可以测出它们到地球的距离。而红移量又能体现退行速度。因此可以将距地球不同距离的Ia型超新星的红移量与宇宙学方程的预言值进行比较。取定合适的参数,ΛCDM模型模型比较符合观测。
title: 宇宙微波背景辐射.
content: 无论是何种形式的暗能量,它都对宇宙空间大尺度曲率有贡献。对宇宙微波背景辐射的观测,可以测量出宇宙目前的曲率,以及宇宙中暗物质和通常物质的含量。目前的观测结果是,我们的宇宙接近平坦,因此宇宙的总物质量应该接近等于临界密度。但微波背景辐射测出的宇宙暗物质和通常物质的含量仅有该值的30%左右,则剩下的为暗能量。  威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)卫星耗时七年,给出的数据是宇宙物质的72.8%是暗能量,22.7%是暗物质,4.5%是通常物质。2013年,普朗克卫星给出的数据是,68.3%的暗能量、26.8%的暗物质、及4.9%的通常物质。
title: 大尺度结构.
content: 在早期宇宙光子退耦发生前,所有物质,包括光子,电子,重子等,都组成了一锅均匀的“等离子体汤”。在其中,所有的粒子自由程都极短,走一点路程就会被其他粒子散射,所以这种等离子体内部的相互作用极强。当然,这种等离子体也不是完全均匀的,上面会有微小的密度涨落。由于暗物质退耦更早,因此那些密度稍大的部分含有更多的暗物质,这些部分吸引周围的物质向其靠近。由于这种早期的等离子体内部相互作用非常强,因此在被吸往密度较大的核心的过程中,会聚集而造成局部压力过大,因此会向周围辐射一种“重子声学振荡”,就如同在水中丢一颗石子,外围产生一圈波纹一样。由于暗物质早就退耦了,除了引力之外它不与等离子体相互作用,因此暗物质留在中心,而等离子体则形成了被暗物质吸引的部分的一个核心,以及周围包裹的压力较大部分的一个壳状密度较大区域,那是重子声学振荡的波前。这个壳状区域可以以光速的一半向外扩张。  之后,随着宇宙膨胀,等离子温度下降,光子退耦出去,形成了今天宇宙微波背景辐射的源头,而组成壳状区域的重子和电子物质结合生成原子核。由于失去了光子作为相互作用的传递媒介,重子之间的相互作用开始以引力为主,“壳状区域”不再受波的传播定律的制约,因而扩散停止,被固定住。由于早期宇宙温度几乎是均匀的,而温度下降到某个值时,光子会突然“同时退耦”,因此所有的“壳状区域”都会同时固定,继而只受引力相互作用,只随宇宙膨胀,而不继续向外传播,并且互相干涉,形成宇宙中今天看到的各种复杂结构。这些壳状区域继续不停地吸引落入的物质,形成各种星系,因此我们能在宇宙中观测到各种大小几乎一致的空洞(~150兆秒差距),空洞的周围是一群星系组成的壳。这种空洞也可以作为宇宙的“量天尺”。  2011年,WiggleZ计划调查了银河系附近200,000个星系,利用这些空洞作为标准尺校正周围星系与地球的距离,再测量这些星系的红移量,类似前述的超新星测量法,也得出了宇宙在大约70亿年前开始加速膨胀的结论。同时,它给出了目前宇宙的涨落大约为1/10。
title: 萨克斯-瓦福效应.
content: 我们目前观测到的宇宙微波背景辐射的光子,在到达探测器之前,走过了很长一段距离。在这段距离上,光子必然受到其附近天体的引力场影响,被红移或蓝移。由于宇宙的物质并不可能完全均匀分布,因此光子经过的路程上将布满很多引力势阱或势垒,这将造成不同方向的背景辐射光子温度产生差异。当然,由于原始宇宙的量子涨落,微波背景辐射的光子本来就存在由此而来的各向异性,这贡献了微波背景辐射各向异性的大部。萨克斯-瓦福效应在此基础上,进一步叠加了一部分各向异性。  宇宙如果加速膨胀,将改变光子运行路上的引力势阱或势垒的构造,因此在光子通过势阱或势垒的过程中,这种变化的信息就体现在光子中。因此微波背景辐射的各项异性,将有助于我们了解宇宙各个方向的情况。2008年,Ho "et al." 以及Giannantonio "et al."两个小组分别报道了他们的分析结论,显示宇宙在加速膨胀。
title: 关于对暗能量进行理论解释的尝试.
title: 宇宙常数.
content: 爱因斯坦的引力场方程并没有禁止一个宇宙常数项。爱因斯坦本人曾引入这一项,使得宇宙存在一个静态解。虽然爱因斯坦本人宣称这是他一生中最严重的错误,但是现在宇宙的加速膨胀效应似乎表明,引力场方程中应该有这么一项,虽然它很小。  当然,这一项可以直接“手放”进引力场方程中,但是大家更希望给它一个解释。宇宙学常数项可以等效于一种物质,它处处存在,且具有负压强。描述粒子物理的量子场论预言了真空“不空”,它里面充斥了各种虚粒子涨落,因此真空本身当然具有能量,称为“真空能”,这种量子效应导致的真空能即等效于一个宇宙学常数。不幸的是,多数粒子物理理论预言的真空能数值过大,通常比测出的暗能量密度(10 g/cm)多出120个数量级,因此这也是粒子物理学理论中一个很深刻的问题。  某些粒子物理学理论,比如超对称理论,其中各项真空能项可以被抵消。但这样又带来一个问题,为何真实宇宙中的真空能又没有被精确抵消,而残留了这么一点点呢?当然,超对称必须破缺,因此真空能不可能严格为0。但另一方面,目前超对称理论无法被实验证明是否是正确的,就算它在短期内被加速器实验证实,它仍然还不是一个有效理论,因为超对称破缺的具体机制并不清楚,而这也会强烈影响真空能的大小。能否给出正确的暗能量数值,也将是检验超对称理论的一个重要标准。
title: 标量场理论.
content: 我们也可以在理论中直接引入一种标量场(可以被称作“第五元素”),用以驱动宇宙进行加速膨胀。与前述的宇宙常数理论不同,标量场理论允许暗能量有一定的不均匀。为了避免不均匀的程度太大,这种标量场的质量(也就是它拉氏量中的二次项系数)必须很轻,这样才能产生一个大的康普顿波长。  但是,如果认为任何场论都必须被量子化,这种标量场理论也必须被量子化。但是标量量子场论的质量并不是稳定的,也就是说,辐射修正不能保证标量场在重整化后的质量项仍然很小,这样,理论面临困难。  某些标量场理论能回答,“为何宇宙加速膨胀恰好能被我们观测到?”这个问题。如果宇宙加速膨胀得稍微早一点,那么在银河系形成之前,物质就已经由于宇宙的加速膨胀而互相分离,不能再凝聚成任何星系系统,也就不能产生人类了。这些标量场理论具有一种称为“tracker”的性质,“tracker”的意思类似追踪,追踪的对象是宇宙中的辐射。在宇宙早期辐射为主时期,这种标量场并不表现任何效应,也就是跟着“追踪着辐射走”,当辐射逐渐被宇宙膨胀稀释,密度降到物质密度以下,就触发了这种标量场开始产生效应,推动宇宙逐渐加速膨胀。  对于宇宙加速膨胀历史的考察,可以了解暗能量的状态方程,进而定出它压强和密度的关系。在自然单位制下,宇宙常数理论预言压强的数值严格等于密度(w=-1)。2004年,一项研究似乎观测到了一点偏离。  一些标量场理论被称作“phantom energy”,它们预言暗能量密度将随时间的流逝而不断增加,甚至能最终导致“大撕裂”。另一些理论则非常大胆地将标量场的动能项写成负的。

Summary: 暗能量是某种作用于时空结构本身的能量,并且是种均匀的负压力,会导致时空结构膨胀。