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宇宙学心脏上的黑暗虚空

来源:www.zhongliu365.com时间:2013-03-21奇闻指数:编辑:admin手机版

对于我们的眼睛来说,星星即是宇宙。然而对于宇宙学家而言,它们不过是闪烁的尘埃,是宇宙真相中不起眼的点缀而已。有两样难以捉摸的东西,数量远远超过普通的星星和气体,分别被称为暗物质和暗能量。我们对它们一无所知,只知道它们似乎构成了宇宙中的几乎所有一切。
  这对孪生的幽灵足以让我们暂时停下脚步,思量在过去的一个世纪里,我们仔细建立的宇宙学模型是否正确。还不仅于此。我们的标准宇宙学模型还指出,在大爆炸之后的瞬间,空间就被一种未知的东西拉伸成形,这第三种“暗”成分被称为暴胀场。这可能意味着,在我们视线之外还隐藏着无数其他宇宙,其中的大多数另类得不可思议——而它们的存在,只是为了让我们的宇宙模型能够发挥作用。

  让我们的观测承载起这些幻影,负担是否太过于沉重?难道真如马克·吐温(Mark Twain)所言,投入一些微不足道的事实,就能收获一大堆猜测不成?

  标准宇宙学的物理基础是爱因斯坦的广义相对论。爱因斯坦出发点是一个简单的观测事实:任意物体的引力质量完全等同于它的惯性质量,也就是它抵御加速度的能力(参见《牺牲爱因斯坦颠覆相对论基石》一文)。由此,他推导出了一组方程,描述质量和运动如何弯曲空间,以及这种弯曲如何被我们视为引力。苹果落地正是因为地球的质量弯曲时空所致。

  在地球这种引力相对较弱的环境中,广义相对论的效果看起来跟原先牛顿引力理论的预言非常相似。牛顿理论把引力当成一个作用力,在物体之间瞬间传递。然而,在引力场较强的地方,两者的预言就会大相径庭。广义相对论多出了一个预言:加速运动的物体会在时空结构中产生微小涟漪,被称为引力波。虽然引力波尚未被直接观测,但1974年发现的一对致密脉冲星在相互旋转的过程中正在彼此靠近,就好像它们正在发射引力波,从而损失轨道能量一样。

  引力在宇宙尺度上是自然界的主导力量,因此广义相对论就成了我们把宇宙当成一个整体,描述其运动及演化的最佳工具。但是它的方程极其复杂,可调节的参数多到让人发悚。如果把一套复杂的参数代入方程,比如真实宇宙中质量和能量纷繁复杂的分布细节,整套方程就会变得无法求解。为了建立一个有效的宇宙学模型,我们做了一些简化假设。

  最主要的假设被称为哥白尼原理,即我们所处的位置并无任何特殊之处。宇宙在任何地方看起来都应该差不多是一样的——事实上,当我们在足够大的尺度上放眼望去,物质分布确实是相当均匀的。这意味着,爱因斯坦方程只需要代入一个参数就够了,那就是宇宙的物质密度。

 

对于我们的眼睛来说,星星即是宇宙。然而对于宇宙学家而言,
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