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1、 探索加速膨胀的宇宙 闻新 陈辛宇宙是由什么组成的？物理学家认为宇宙是由两种物质构成的，一种是可见的发光物质，另一种是不可见的暗物质。发光物质是每个人都可以看见的物质，而暗物质则需要通过探测其自身引力存在才能被意识到的物质，如星系或星系族的旋转曲线。辐射是宇宙的一种能量之一，光子辐射穿过宇宙，科学家最新研究发现暗能量使宇宙加速膨胀。目前天文学家还不了解暗能量，只能通过宇宙膨胀速度来探测暗能量的存在。最近，天文学家测量发现，用望远镜看到的星星以及日常生活所接触到的物质，只占宇宙物质的5%，而暗物质占宇宙物质的24%、暗能量占宇宙物质的71%。所以天文学家对宇宙的了解才仅仅5%，还有95%是未知的
2、。什么是暗能量？“暗能量”这一术语是由宇宙理论学家迈克特纳提出的。暗能量是一种弥漫在宇宙空间的、具有负压的假想形式能量，它可以解释宇宙膨胀的引力效应。暗能量不能直接观测到，但却可以从天体间的引力相互作用的观察中推断出来。物理学家发现暗能量之前，“宇宙常数”是爱因斯坦的广义相对论方程的一个特解，即宇宙是静态的。在宇宙膨胀情况下，假设宇宙常数是O，而且这种假设多年来一直在宇宙学中占主导地位。1998年，超新星宇宙学项目研究团队和高红移超新星搜索团队，试图测量宇宙膨胀减速的活动，但均以失败而告终。虽然这两个团队没有测量出来宇宙膨胀减速，但却测量出一个完全意想不到的宇宙正在加速度膨胀。自1998年以来
3、已经有进一步证据支持这种测量结果。宇宙实际上是加速膨胀，而不是稳步扩张，或放缓扩张，而且膨胀速度越来越快。这意味着爱因斯坦的原始宇宙常数已经证明了暗能量理论。宇宙未来的命运？现代理论物理学家认为：宇宙正处于加速膨胀过程之中，在暗能量作用下，宇宙未来有三种命运走向，即其密度随着时间推移降低、维持不变，或者增加。如果暗能量密度降低，宇宙未来会出现大收缩情况，收缩最终的结果是宇宙消失；如果暗能量密度维持不变，宇宙会永远的、无限地膨胀下去；如果暗能量密度增加，宇宙未来的膨胀速率会达到非常极端的程度，甚至导致亚原子粒子被撕裂。但是，我们不必担心，这些情况大约要300亿年以后才会发生。宇宙有中心吗？宇宙没
4、有中心。看起来宇宙应该存在中心，但是实际上它并不存在。因为宇宙的膨胀一般不会发生在三维空间内，而是发生在四维空间内的，它不仅包括普通三维空间（长度、宽度和高度），还包括第四维空间时间。描述四维空间的膨胀是非常困难的，但是我们可以通过推断气球的膨胀来解释它。我们可以假设宇宙是一个正在膨胀的气球，而星系是气球表面上的点，我们就住在这些点上。我们还可以假设星系不会离开气球的表面，只能沿着表面移动而不能进入气球内部或向外运动，在某种意义上可以说我们把自己描述为一个二维空间的人。如果宇宙不断膨胀，也就是说气球的表面不断地向外膨胀，则表面上的每个点彼此离得越来越远。其中，某一点上的某个人将会看到其他所有的
5、点都在退行，而且离得越远的点退行速度越快。现在，假设我们要寻找气球表面上的点开始退行的地方，那么我们就会发现它已经不在气球表面上的二维空间内了。气球的膨胀实际上是从内部的中心开始的，是在三维空间内的，而我们是在二维空间上，所以我们不可能探测到三维空间内的事物。同样的，宇宙的膨胀不是在三维空间内开始的，而我们只能在宇宙的三维空间内运动。宇宙开始膨胀的地方是在过去的某个时间，即亿万年以前，虽然我们可以看到，可以获得有关的信息，但我们却无法回到那个时候。为什么人类活动空间不膨胀？虽然可视宇宙的时空是膨胀的，但这种时空膨胀，至少要在千万光年的尺度上，这种膨胀在宇宙的每个点都会发生，导致宇宙没有中心。银
6、河系就好像河流中漂流的一粒豌豆，也称“哈勃流”。这种膨胀对小规模尺度没有影响，如银河系、太阳系和地球。在小规模尺度上，有远比宇宙膨胀强大的力量，万有引力在维系和避免时空宇宙扩展。宇宙膨胀最有力的证据是光谱的红移，实际上，如果“宇宙万物都离彼此远去”。类似于气球充气，气球表面的点与点之间的距离增加，但点本身的尺寸维持不变。比如今天的教室是1 00平方米，几年之后还是100平方米，地球与月球的距离是38万千米，几年之后还是38万千米。再比如，北京和上海之间，每个世纪互相远离1根头发丝的直径；对于我们身体而言，膨胀一倍时需要经过7亿年日寸间。为什么宇宙中的物质都在旋转？地球旋转、月球围绕地球旋转、太
7、阳系内几乎所有的星球都在旋转，银河系在旋转、其他星系也在旋转，由此可见，宇宙中的物体旋转运动是一个普遍现象。天体的旋转动量来源于宇宙形成时的原始气体和尘云的引力坍塌。本来尘云开始倾向于均匀密度的、圆形的和静止的状态。但实际上，宇宙中的尘云由于引力作用的驱使，迅速地朝向中心收缩。不仅其形状是随机的，密度也是不均匀的，而且内部处于一种浑浊的运动状态，在引力作用下而接近附近的天体。当宇宙中的尘云在收缩过程中，不对称的内部相互碰撞而形成一种有组织的整体旋转。当尘云继续收缩，角动量的保守性将使其加速旋转，这就如同舞蹈演员，当手臂收拢时转动惯量减少，角速度增大。随着宇宙的膨胀，初始角动量会传播到星系的每个点上。下期题目为“探索时间和空间”，主要内容包括牛顿和爱因斯坦的引力时空概念、为什么时空是弯曲的、黑洞与时空的关系、以及时空隧道等问题。 -全文完-
