暗能量是如何塑造宇宙的？

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（圖片來源：美國國家航空航天局戈達德宇宙飛行中心）

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據(jù)宇宙學(xué)家所知，宇宙膨脹不斷加速的背后，隱藏著一種我們稱之為“暗能量”的力量，這是一種永恒不變的力量。

但就在今天，一項最新研究顯示，暗能量完全有可能在過去發(fā)生了一些變化，并且進行這項研究的科學(xué)家認(rèn)為正是這種變化使現(xiàn)存的粒子充斥于宇宙之中。

我們來看宇宙的現(xiàn)狀：發(fā)生在宇宙身上的事情很奇怪，它正在膨脹，卻又永遠充滿物質(zhì)。隨著時間的推移，物質(zhì)的引力應(yīng)該減緩宇宙膨脹的速度才對。

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然而，宇宙的膨脹并沒有變慢（甚至都沒有維持在一個恒定的速率），而是在不斷加速。

時間一天一天過去，宇宙越來越大，膨脹也越來越快。宇宙學(xué)家將這種加速歸因于“暗能量”，原因是我們根本不知道是什么導(dǎo)致了宇宙的膨脹，也不知道它從哪來，更不知道未來會怎樣。我們唯一知道的就是暗能量早在50億年前就生成并存在了。

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同時，我們能夠確定在這50億年里，暗能量的“強度”（通過其密度測量）始終未變。它似乎并沒有隨著時間的推移變強或變?nèi)?，這是其成為一個宇宙常數(shù)。

將會對其后的宇宙歷史產(chǎn)生巨大的影響。

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曙光初現(xiàn)

雖然我們幾乎不了解暗能量的性質(zhì)或成因，但我們知道它除了加速宇宙的膨脹之外，別無它用。這是因為在宇宙學(xué)上來說，現(xiàn)在的宇宙是古老的、寒冷的、瀕臨死亡的。

宇宙的大規(guī)模衰老意味著我們周圍的能量（無論是暗能量還是其他能量）已所剩不多。即使暗能量現(xiàn)在想要“做些時髦的事情”——比如開始隨時間變化，也不會有太大的影響了，因為暗能量現(xiàn)在本就已經(jīng)十分虛弱。雖然它的確加速了宇宙的膨脹，但那也僅是輕微的，這也是為什么我們最初花費那么長時間才研究清楚它的作用。宇宙的虛弱限制了暗能量在當(dāng)下能夠發(fā)揮的作用以及我們對于暗能量的研究進展，因為實在沒有什么可供宇宙學(xué)家測量的效應(yīng)。但最初的宇宙相比于現(xiàn)在要熱得多，并且密度更大，特別的是，能量也更多。

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雖然暗能量在50億年前就已經(jīng)出現(xiàn)在宇宙中，但那并不是它的首次亮相。暗能量在年輕時期的宇宙中就存在并活躍于各種各樣的反應(yīng)之中，隨后又在一段時間里憑空消失。一個理論物理學(xué)家組成的團隊在思考這種早期的暗能量可能會做些什么，他們在2019年11月的一篇論文中報告了他們的研究結(jié)果，并將其上傳到預(yù)印本服務(wù)器arXiv.org上。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在早期宇宙之中，暗能量的微小波動就可以引起不同粒子（例如夸克、膠子、輕子）充斥整個宇宙，最終形成我們今天所知、并熱衷于研究的原子。

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未來展望

研究者表示，這種充斥一定發(fā)生在宇宙膨脹之后，早期的宇宙在極短的時間內(nèi)就變得非常大。膨脹之后，整個宇宙都是空的；所有膨脹前的物質(zhì)都像灰塵一樣被風(fēng)吹散。這之后，宇宙一定經(jīng)歷了一次“再加熱”，為我們現(xiàn)在普遍承認(rèn)的“大爆炸”宇宙帶來新一輪的粒子。

大多數(shù)理論學(xué)家認(rèn)為不論是什么導(dǎo)致了宇宙膨脹，他都可以同樣地制造這種“再加熱”，但新的結(jié)論認(rèn)為暗能量很可能是犧牲自身能量來使粒子充滿宇宙。這真是一個有趣的故事，但科學(xué)家們的假設(shè)仍然必須與那些首先鞏固了我們對大爆炸和宇宙膨脹理解的觀測結(jié)果相吻合。如果暗能量是導(dǎo)致宇宙“再加熱”的原因，那么我們應(yīng)該看到宇宙微波背景中標(biāo)準(zhǔn)圖片模型的細微變化，這反過來又影響了現(xiàn)代宇宙中星系的模式。

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截止目前，“再加熱”模型完全匹配所有已有觀測結(jié)果，在這一點上，甚至比傳統(tǒng)的宇宙膨脹模型做得更好。但我們并沒有足夠的信息證明這是否只是一個統(tǒng)計學(xué)上的巧合。

以美國國家航空航天局的寬視場紅外巡天望遠鏡為代表的新一代天文物理學(xué)工具，將幫助科學(xué)家們更好地理解暗能量及其在早期宇宙與當(dāng)今宇宙中的作用。

作者: Paul Sutter

FY: Laurels

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