为什么暗能量可能根本不存在?
1929年,天文学家哈勃观测太空发现宇宙正在膨胀。爱因斯坦原本为了解释“宇宙是静态”的观点,而硬塞入方程式的“宇宙常数”,变成了他自认一生最大的错误。
结果到了1990年代,超新星数据显示,宇宙不仅在膨胀,竟然还在“加速膨胀”。于是,“宇宙常数”又被科学家们请了回来,化身为神秘的“暗能量”,用来解释这股推动宇宙扩张的逆向重力推力。
但数学家们一直觉得这事儿不太对劲。加州大学戴维斯分校和伦敦大学学院的团队,在《英国皇家学会会刊A》上发表了一篇论文,用数学提出了一种颠覆性的可能:要解释宇宙的加速膨胀,也许根本不需要暗能量!
事情是这样的。标准宇宙模型奠基于1920年代提出的“弗里德曼时空”,它假设宇宙物质在每个固定时间点都是均匀分布、均匀扩张的。但戴维斯分校的布莱克·坦普尔教授将这种状态比作“一支用笔尖站立的铅笔”:在数学上,受力确实是平衡的,它也是方程式里的一个解,但这极其不稳定。
接着,团队使用了“爱因斯坦-欧拉方程式”。这个结合了广义相对论与流体力学的方程式,一直是模拟星系、黑洞以及宇宙膨胀等天文现象的利器。团队这次导入了“自相似变量系统”,将方程式重新建构。结果发现,在宇宙大爆炸之后的物质主导时期,标准模型中的弗里德曼时空在大尺度下,对径向扰动是不稳定的。
换句话说,只要宇宙演化过程中出现微小的扰动,整个系统就会崩溃偏离。这种极不稳定的解,通常被认为不具备现实的物理意义,因为自然界根本观察不到一支永远用笔尖站立的铅笔。既然标准模型本身就是不稳定的解,那它自然会演化出加速偏离的现象。
团队证明,这种系统内部固有的不稳定性,会产生一种加速向外扩张的波。他们还找出了一个被称为“最大解”的模型。在演化初期,它看起来完全符合标准模型的弗里德曼时空;但演化到中期时,固有扰动会引发逃离标准模型的异常加速度,直到时间尽头才又逐渐衰退。
也就是说,我们观测到的宇宙加速膨胀,可能只是爱因斯坦原始相对论方程式里自然发生的结果,不一定要让摸不着、测不到的“暗能量”来背锅。更惊人的是,过去科学家用“70%暗能量”的标准模型,算出的二次红移修正值(即加速度参数q0)是0.425。而这套完全不需要暗能量的波动模型,竟然也能完美对得上0.425这个核心数值!
不过,这套理论从现代宇宙学的角度来看,可以说是彻头彻尾的“异端”。
因为它挑战了宇宙学中的“哥白尼原则”——该原则认为地球没有特殊地位,宇宙的每一个角落看起来都应该是一样的。但在新理论下,大爆炸在对称中心附近看起来像弗里德曼时空,而远离中心就会观测到加速度。这意味着宇宙可能存在一个球对称的中心结构,而我们看到的加速现象,恰好跟我们所在的位置有关。这听起来很像是在暗示“地球的位置很特别”,这也难怪天文学家们对此非常忌讳。
但坦普尔团队也做出了有力的反击:现有的暗能量模型自己也有尴尬之处。因为人类刚好生活在“物质密度”跟“暗能量密度”处于同一个量级的时代,这在时间尺度上,难道不也是一种极其特殊的位置吗?大家不过是五十步笑百步。
如果这项纯数学证明最终能挺过天文物理学界的严格审视,并在未来的实际观测中被证实,
那整个宇宙加速膨胀的历史课本,恐怕都要推翻重写了。
那么,你觉得宇宙真的存在看不见、摸不着、人类无法探测的暗能量么?
宇宙为什么会膨胀?要膨胀到什么结局?
你能给出答案吗?
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