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05 宇宙学(第9页)

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这种排斥力的源头被科学家们称为暗能量(darkenergy,不要和暗物质混淆了)。

为了解释我们测到的宇宙膨胀的加速度,宇宙中需要存在三倍于暗物质的暗能量。

因此,我们现在对于宇宙整体的图像如下:宇宙中大约只有5%的能量以普通物质的形式存在;剩下大约25%被认为是由暗物质组成,它们之间由引力相互吸引;另外70%则是产生排斥力的暗能量。

这些成分的百分比可能稍微有些波动,但它们足以解释迄今为止的所有天文观测。

所有三种能量形式加起来差不多恰好使宇宙平坦(而不是有正或者负的曲率,就像球面或者马鞍面,见图10)所需要的量。

平坦宇宙模型中大部分物质和能量由暗能量和暗物质组成,它也经常被称为宇宙的协和模型(odel)。

天文学家们已经达成共识:协和模型是和他们的数据符合得最好的宇宙模型。

推导出协和模型的观测数据以及协和模型本身无疑是21世纪物理学的重大突破。

但是,无论是宇宙的历史、内容还是其中引力场,我们对它们的了解肯定不够全面。

直截了当地说,统一模型有不少弊端。

第一,它暗示着宇宙的形状一开始是非常特殊的。

宇宙的空间十分平直,背景辐射和星系分布非常均匀,这说明宇宙早期的密度需要极度完美地趋于均匀。

第二,我们看到的CMB上的一些波纹的尺度大于光从大爆炸到大火球那段时间内能走过的距离。

在爱因斯坦的理论中,没有任何东西能比光还要快,所以这真的非常奇怪。

第三,我们完全不清楚暗物质到底是什么。

我们只知道它能产生引力,以及它不会和光相互作用。

它不可能在粒子物理标准模型(它已经包括了所有其他已知种类的粒子)中存在,也没有在任何粒子物理实验中被发现。

第四,暗能量的存在,以及它产生的排斥力场,似乎需要大量的微调以使其符合我们今天看到的现象。

稍微多一点,星系就不可能形成;稍微少一点,它就不会引起我们的注意。

上述四个问题是物理学家们主要关注的对象。

前两个的解决方案是:宇宙早期有一段非常剧烈的膨胀时期,也就是宇宙暴涨(iflation)。

我将在第6章描述宇宙暴涨。

第三个问题的解决方案有望通过往标准模型中添加新的粒子来解决,现在已经有了不少可能的解决方案。

在笔者写作本书的时候,物理学家们提出暗物质粒子的性质可以利用大型强子对撞机(LargeHadronCollider,缩写LHC)作直接的研究。

人们还不知道大自然是不是足够仁慈,让这些粒子的能量恰好落在LHC可以探测的范围内。

这些问题中最后一个是最神秘的。

一些物理学家在解释暗能量这件事上作出了非凡的努力。

我将在第6章更加详细地解释它们。

当然,现在还有一些物理学家在质疑暗物质和暗能量到底是不是真的存在。

他们认为在确定它们是什么之前,应该先搞清楚引力在宇宙的尺度下是怎么作用的。

毕竟我们只能通过它们之间引力的相互作用来了解它们。

如果我们误解了引力,就可能错误地理解暗物质和暗能量。

未来的天文观测将会用来探索这些可能性,以及进一步研究暗物质和暗能量的性质。

预测科学的未来通常是荒唐的,但我们还是可以比较有把握地认为21世纪的宇宙学将会有极大的进展。

我们已经知道了很多关于宇宙如何膨胀,以及宇宙中的结构如何形成的知识,但和将来几十年的观测比起来还是相形见绌。

这些工作重要的动力是暗物质和暗能量。

搜寻这些黑暗的东西将会让人们进一步理解引力。

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