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环球Tech是什么加速了宇宙的膨胀？( 二 )


变化无常的暗能量
自从1998年发现宇宙正在加速膨胀以来 ， 宇宙学家就在宇宙演化模型中加入了暗能量 。 但暗能量的性质至今仍是一个谜 。 最简单的可能性是 ， 暗能量就是“宇宙常数” ， 即空间本身的能量 ， 在任何地方的密度都是恒定的 。 但是 ， 如果宇宙中的暗能量不是恒定的呢？
宇宙早期的一种额外的暗能量 ， 被称为早期暗能量 ， 可以调和哈勃常数相互矛盾的值 。 早期暗能量的向外压力会加速宇宙的膨胀 。 “棘手的是（早期暗能量）不能一直存在；它必须迅速消失 ， ”哈佛大学的粒子物理学家和宇宙学家丽莎·兰德尔（Lisa Randall）说道 。
在一篇提交给《高能物理杂志》（Journal of High Energy Physics）的论文中 ， 兰德尔及其合作者设计了他们所谓的“摇滚”（rock’ n’ roll）方案 ， 试图解决“哈勃冲突” 。 标准模型中的每一个附加项都有不同的数学形式——在某些情况下 ， 暗能量的密度会振荡 ， 或者说是“摇”（rock）；而在另一些情况下 ， 暗能量的密度会从一个高值下降到零 。 但在所有情况下 ， 早期的暗能量必须在几十万年后一段被称为“重组”的时期中消失 。 “自重组之后 ， 宇宙的历史与标准模型相当一致 ， ”卡米奥科夫斯基说道 。 在2019年6月的《物理评论快报》（Physical Review Letters）上 ， 卡米奥科夫斯基与人合著了一篇关于早期暗能量的论文 。
除了早期的暗能量外 ， 理论物理学家们还提出了其他奇特的暗能量形式——比如“第五元素”（quintessence ， 又译为“精质”）和“幻能量”（phantom dark energy）——它们也会随着宇宙年龄的增长而变化 。 虽然这些对标准模型的扩展缓和了“哈勃冲突” ， 但许多宇宙学家认为这些只是微调 ， 即适当的但没有明确理由的数学补充 。
不过 ， 卡米奥科夫斯基指出 ， 与宇宙历史上的其他膨胀时期相比 ， 新的暗能量形式显得没那么不自然 。 例如 ， 大多数宇宙学家认为 ， 宇宙在大爆炸开始时 ， 在一段被称为“暴胀”的时期内呈指数级膨胀 ， 这是由一种暗能量形式驱动的 ， 但与今天存在的暗能量不同 。 卡米奥科夫斯基表示 ， 这种由暗能量主导的时期被认为“在整个宇宙的历史中时不时发生” 。
修正后的引力
在宇宙学的标准模型中 ， 所有已知的物质和辐射形式 ， 加上暗物质和暗能量 ， 都被输入到阿尔伯特·爱因斯坦的引力理论中 ， 而爱因斯坦的方程表明了空间将如何膨胀 。 这意味着 ， 除了在模型中改变或添加宇宙成分外 ， 物理学家还有另一种方法可以使其与观测到的宇宙膨胀速率相一致 ， “你可以想象爱因斯坦的方程是不正确的 ， ”勒布说道 。
2019年夏天 ， 剑桥大学的博士生威廉·巴克（William Barker）在寻找一种“修正引力”（modified gravity）理论时 ， 无意中发现了一种解决“哈勃冲突”的方法 。 巴克发现了一个修正的引力模型 ， 其“运行似乎表明宇宙早期存在额外的辐射”；正是辐射压力导致了宇宙的加速膨胀 。
但是 ， 在今年3月份提交给《物理评论》的一份预印本中 ， 巴克和三位合著者承认 ， 他们还需要进行更多的分析 ， 以确定该模型是否不仅能描述宇宙如何膨胀 ， 还能描述星系和星团等结构如何演化 。
今天的望远镜提供了大量关于这些结构的数据 ， 精确性令人吃惊 ， 因此设计出一种与所有观测结果相匹配的理论绝非易事 。 卡米奥科夫斯基说：“许多修正引力理论都不是完整的理论 ， 当你试图用精细的数据集进行详细计算时……很难以稳健的方式做到这一点 。 ”
且走且看
“我们都知道它们是暂时的 ， ”兰德尔在谈到目前的各种理论时说 ， “令人惊讶的是 ， 即使有了这些临时加项 ， 差异仍然很难调解 。 ”
即使有额外的自由参数 ， 大多数非标准模型也只是缓和了“哈勃冲突” ， 并没有完全解决 。 这些模型预测的宇宙膨胀速度比标准模型更快 ， 但仍不足以与超新星和其他天体的观测结果相匹配 。


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