SPACE SCHOOL

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宇宙膨脹小觀

讓我們先搭乘時光機,回到20世紀初,愛因斯坦提出廣義相對論,試圖瞭解「重力是什麼」,但最後卻發現,重力並不存在,而只是時空扭曲下的結果。舉例來說,在柔軟的布匹上放上籃球,因為籃球的存在,使布匹凹陷扭曲,我們可以類比一下,將柔軟的布匹代表時空,籃球則代表星球,因為星球的存在使得時空扭曲,而讓我們感受到所謂的「重力」。

模擬時空扭曲 [1]



  除此之外,廣義相對論也說明了描述宇宙時空的方程式,被稱為「愛因斯坦場方程式」。這個方程式剛推導出來時,暗示著宇宙是動態的,但是,愛因斯坦認為宇宙是靜態宇宙的支持者,認為宇宙不會膨脹、收縮,因此加入了一個「宇宙常數」。



Rμν= 8πGTμν +1/2 Rgμν + Λgμν  [式1]

[式1] 左邊三項暗示宇宙是動態的,因此愛因斯坦加入宇宙常數  使宇宙靜



  到了1929年,哈伯(Edwin Hubble)發現了大部分恆星的紅移現象,這代表了恆星正離我們遠去;如果宇宙沒有在膨脹,那所有恆星相對我們的速度應該會是,但是大部分恆星都遠離我們,所以哈伯推測,宇宙正在膨脹。



根據都卜勒效應,當物體加速遠離觀察者時,觀察者觀察到的波長較原本發出的波長更長,稱為紅移(可見光中紅光波長較長),反之稱為藍移(藍光波長較短)。[2]



根據都卜勒效應,當物體加速遠離觀察者時,觀察者觀察到的波長較原本發出的波長更長,稱為紅移(可見光中紅光波長較長),反之稱為藍移(藍光波長較短)。[3]



  之後,科學家開始思考,宇宙的膨脹應該不是毫無止盡的。宇宙中有各種天體,乃至星系,它們之間會感受到時空扭曲產生的「重力」,而減緩宇宙的膨脹。但是1995年,Goldhaber觀測1a超新星(距離指標),發現它也有紅移現象。數據告訴我們,宇宙不但在膨脹,而且還在加速膨脹。



為什麼會加速膨脹呢?



  天文學家為了解決這個問題,提出了「暗能量」這個大家都耳熟能詳的詞彙,用「暗」表示其實他們也看不透這個物質的本質,不知道它究竟是什麼;根據觀測結果,他們推測暗能量遍布在宇宙中,提供了額外的斥力,離間宇宙中的天體,也加速了宇宙的膨脹。



暗能量向外拉伸宇宙,重力向內抓住宇宙 [4]



  而我們回頭看看20世紀初的「愛因斯坦場方程式」,宇宙常數其實隱含著暗能量的初步概念了;只是愛因斯坦當初構想的宇宙常數,是提供額外的力阻止宇宙膨脹,但現代科學家認為的宇宙常數,則是提供額外的力加速宇宙膨脹。



大霹靂之後,暗能量還沒出現,宇宙膨脹速度緩慢,暗能量變多之後才加速膨脹。 右邊的圖表縱軸是宇宙相對大小,橫軸是宇宙的年齡,可以發現有暗能量存在的情況下(橘藍綠線),膨脹速度都比沒有暗能量存在的情況下來得快。[5]



  然而,近代物理學家則用「真空能量」(vacuum energy)來解釋宇宙加速膨脹的現象以及宇宙常數的意義。真空能量是什麼呢?假設物質都是成對在宇宙中出現,並且是一個帶正電、一個帶負電,兩者會在極短的時間內碰撞,碰撞釋放出的能量會以漣漪的形式向周圍傳遞,形成類似斥力的效果,使得宇宙加速膨脹。



1.真空 2.一組粒子誕生(一正一負) 3.兩粒子碰撞 4.碰撞產生的能量向外傳播 [6]



  真空能量的說法也和宇宙的演化吻合:宇宙初生成時,物質之間距離很近,因此重力主導局勢,物質傾向靠再一起,宇宙膨脹速度就比較緩慢;到了現在,距離大霹靂1.37億年之後,物質之間距離很遠,隔著大片真空,因此由真空能量加速宇宙膨脹,而宇宙膨脹的越大真空能量就越多(因為真空能量來自真空),宇宙就膨脹的越快。

  最後,不論是暗能量,還是真空能量學說,都有各自的問題。目前造成宇宙加速膨脹的物質,仍然是個謎,或許它也不是物質,誰知道呢?



原始資料:

https://www.space.com/42178-bringing-dark-energy-into-the-light.html



參考資料:

http://hetdex.org/dark_energy/what_is_it/vacuum_energy.html

http://www2.lbl.gov/Science-Articles/Archive/gerson-goldhaber-supernova.html


http://web2.nmns.edu.tw/PubLib/NewsLetter/90/167/10.htm

http://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?Unit=newscan&id=472



圖片來源:

[0]https://www.space.com/42178-bringing-dark-energy-into-the-light.html

[1]https://larvalsubjects.wordpress.com/2018/07/21/of-fire-assembly-and-gravity/

[2]https://shaunamanfredine.blogspot.com/2017_04_09_archive.html

[3]https://www.sciencephoto.com/media/686184/view/doppler-redshift-astronomy-illustration

[4]https://www.nytimes.com/2008/06/03/science/03dark.html

[5]http://www.preposterousuniverse.com/blog/2005/01/26/proselytizing-for-dark-energy/

[6]http://hetdex.org/dark_energy/what_is_it/vacuum_energy.html photo credit by Tim Jones

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