暗物质与宇宙学.doc

世纪谜题：宇宙中的暗能量 摘要： 本文主要介绍了我们对于宇宙暗能量的一些研究成果。从爱因斯坦错误地为静态宇宙学模型引入宇宙常数项却戏剧性的导出暗能量的存在开始，介绍了暗能量的相关概念，和科学家们提出的一些解释暗能量的模型，以及对暗能量存在的实验证据。 宇宙暗能量是当今宇宙学研究中非常热门的课题。宇宙学暗能量，残余引力波和微波背景辐射，这三者的研究对于理解宇宙中最基本的物质构成，极早期宇宙的暴涨过程，以及宇宙在漫长的演化过程中的演化行为的研究都有着重要的意义。 关键词： 宇宙学 暗能量 引言： 现代宇宙学的建立，可以追溯到上世纪初。其中关于暗能量概念的起源，还得追溯到科学巨匠爱因斯坦。他在1915年的相对论中提出一组引力方程式，将广义相对论应用到宇宙学研究中。而方程式的结果却预示着宇宙是在做永恒的运动，这与爱因斯坦的宇宙是静止的观点相违背，于是爱因斯坦引进了宇宙学常数项，试图建立一个静态的宇宙学模型。不过后来，连他本人也承认，“宇宙常数”只是一个错误的概念。因为静态宇宙学模型存在两个问题：一是，就在该模型提出不久，英国天文学家爱丁顿（Arthur Stanley Eddington）就发现该模型是不稳定的。他指出，只要存在一个很小的扰动，该模型的静态条件就会被破坏。二是，宇宙学常数项到底是什么，为什么要引进呢？它是一个简单的常数项，还是有相应的物理意义？然而，戏剧性的是，暗能量的存在却为宇宙常数提供了可能性。 宇宙学作为一门观测科学，起源于上世纪二十年代初。它是从整体上宇宙的结构和演化，以及研究河外天体在宇宙年龄时标上演化的天文学分支。牛顿力学创立以后，建立了经典宇宙学。到了20世纪，在大量天文观测资料和现代物理学的基础上产生了现在宇宙学。现代宇宙学包括密切联系的两个方面，即观测宇宙学和理论宇宙学。前者侧重于发现大尺度的观测特征，后者侧重于宇宙学的运动学和动力学以及建立宇宙模型。哈勃发现大部分的星云是星系，而且它们正在离我们远去，对星系的认识，第一次把人类的目光引向宇宙深处，加上后来的轻元素相对丰度的测量和宇宙微波背景辐射的观测，一并称为现代宇宙学的三大基石，奠定了现代宇宙学的理论框架，即现在被广泛接受的基于热大爆炸的宇宙学模型。而爱因斯坦广义相对论和宇宙学原理基本假设则提供了描述宇宙概貌及其演化的有效手段。随着时代的发展，人类对于宇宙的观测技术也在不断的前进。现在，而且将来更是，空间探测技术，新一代高精度气球，望远镜和实验数据的空前积累极大的丰富了人们对宇宙的认识。同时，宇宙学的研究也取得了突飞猛进的发展，其中最具代表性的是2003年和2006年两次公布的威尔金森各向异性探测器的观测结果（Bennett et al.,2003），斯隆数字巡天（SDSS）等结果的出现（Tegmark et al.,2004），精确的给出了大多数宇宙学参数的测量结果，并最终建立起了宇宙学的标准模型：暴涨+ACDM模型。 正文：宇宙中的暗能量 暗能量的概念 关于暗能量概念的起源，可追溯到爱因斯坦。他为了使他在1915年的相对论中提出的一组引力方程式的结果与他的宇宙是静止的观点相符而引入了一个项。这个项就是现在人们称之为的“宇宙常数”。 宇宙学中，暗能量是某些人的猜想，是一种充溢空间的具有负压强的能量。按照相对论，这种负压强在长距离类似于一种反引力。如今，这个猜想是解释宇宙加速膨胀和宇宙中失落物质等问题的一个最流行的方案。 1997年12月，作为“大红移超新星搜索小组”的成员的哈弗大学天文学家罗伯特基尔根据超新星的变化显示，宇宙膨胀速度非但没有在自身重力下变慢反而在一种看不见的、无人能解释的、神秘力量的控制、推动下变快，人们只是猜测：所处的这个宇宙可能出于一种人类还不了解、还未认识到的继目前物质状态的物质控制、作用之下，这种物质不同于普通物质的一切属性及其存在和作用机制，这种“物质”因其绝对不同于人们熟知的普通物质态，故科学家为了区分它们暂且将之称为“暗物质”、将其具备的作用称为“暗能量”，“暗物质”就成为当今天文界、宇宙学界和物理学界等等科学界中最大的谜团之一。 暗能量理论模型 目前，学术上存在多种暗能量理论模型。这是由于暗能量在理论方面仍然混沌。其中，最具戏剧性的理论是爱因斯坦当年提出的“宇宙常数”。不过企图建立一个稳态宇宙模型显然是一个错误。但是暗能量的存在却为宇宙常数提供了新的可能性。如果暗能量就是这个宇宙常数的话，那么的它的力量强弱将只和宇宙的大小有关。随着宇宙的膨胀，其体积逐渐增大，因而暗能量也将逐渐增大。最终，它会达到一个临界点，使得宇宙从减速状态变成加速状态，并且一直加速下去。中国科学院高能物理所研究员张新民在《财经》指出，迄今为止的观测结果，包括瑞斯最新的结果在内，与爱因斯坦的宇宙常数“都很符合”