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标  题: 暗能量与宇宙未来命运 是大分裂还是大坍塌 
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年12月16日23:21:06 星期二), 站内信件

　　暗能量与宇宙之命运

　　宇宙未来的命运是大分裂还是大坍塌，这是一个问题。

　　不同的w

　　暗能量登上宇宙学的舞台只不过是近几年的事。

　　1998年，两个国际科研小组的研究结果表明，宇宙不但在膨胀，而且还在加速
膨胀。天文学家用暗能量来解释这种现象。这个占了整个宇宙组成的大约70%的暗
能量看上去是一个爱因斯坦的宇宙常数的现代版本。早年，爱因斯坦为了让静态的
宇宙不因引力而坍塌，引入了具有反引力性质的“宇宙常数”。但是后来关于宇宙
膨胀的发现让他放弃了这个所谓的“最大的错误”(参见2002年11月21日《南方周
末》科学版)。

　　仅仅知道暗能量能够使宇宙膨胀，这远远不能满足天文学家的好奇心。暗能量
的本质是什么，它会怎样左右宇宙的命运？对于这些问题的答案人们还知之甚少。
天文学家把研究的焦点放在用来表示暗能量特征的参数w上。如果w等于-1，那么就
意味着暗能量反引力的效果是一个常数，不随时间变化。如果w的值在-1到0之间，
那么它的效果就可能随着时间变化。不同的w值意味着宇宙不同的命运。

　　如果w比-1还小，会发生什么情况呢？今年3月，英国达特茅斯学院的考德威尔
(Robert　Caldwell)等人在一篇提交给《物理评论》的论文中讨论了w小于-1的情
况。考德威尔的计算结果是，在这种非常极端的条件下，宇宙最终的命运是所谓的
“大分裂”(bigrip)。在过于强大的暗能量的作用下，先是星系群被撕裂，然后是
单个星系、行星系、恒星、行星……直到原子。当然，即使这种极端情况会发生，
它也将开始于非常遥远的220亿年之后。

　　一把钥匙

　　考德威尔的结论是否能够成立，需要依靠观测的检验。根据已有的观测数据，
天文学家认为w是一个大约等于-1的数字，但是并不那么精确。为了找出宇宙命运
的答案，天文学家需要——并且继续需要——求助于解开暗能量问题的一把钥匙：
超新星。

　　过去20多年以来，天文学家使用所谓的Ia型超新星来测量遥远天体的距离。这
种方法也帮助天文学家发现了宇宙的加速膨胀。

　　但是Ia型超新星并非唾手可得，它太稀少了。天文学家估计，在一个星系中平
均100年才会出现一次Ia型超新星爆发。按照一般的情况，天文学家需要有中彩票
头奖般的运气，才能观测到足够数量的超新星。否则，由于可用的数据太少，关于
宇宙加速膨胀的准确度就要大打折扣。

　　所幸的是，已经有了一些专门的超新星观测计划，专门为暗能量的研究服务。
ESSENCE是这些计划中的一个。在过去的一年中，ESSENCE观测到了25颗超新星，这
是一个相当可观的数目。这个计划还要至少进行5年。

　　弄清宇宙演化的一个关键时刻也是ESSENCE的任务之一。随着宇宙的膨胀，引
力相对逐渐变弱，而推动宇宙加速膨胀的暗能量相对变强。天文学家推测，在宇宙
诞生的40亿年之内，应该有一个转折点。在这个转折点之前，宇宙是减速膨胀的。


　　但是这同样是一个困难的工作。天文学家不但需要找到足够的超新星，而且由
于那些宇宙早期的超新星光谱有很大的红移量，以至于已经移到了红外线区域，这
些宇宙早期的微弱光线会淹没在地球大气层的红外线“噪声”里。

　　为了克服这个缺陷，美国劳伦斯—伯克利国家实验室提出了SNAP计划。如果今
年晚些时候国会能够批准SNAP，那么它将于2009年升空。在它的3年“任期”中，
预计每年能够发现超过2000颗超新星，总计发现6000余颗。与ESSENCE计划相比，
SNAP简直是个暴发户。

　　最终答案

　　关于暗能量甚至还有相反的推测。今年2月，斯坦福大学的卡罗希(Renata　
Kallosh)和林德(Andrei　Linde)在《宇宙学和天体粒子物理学》杂志上发表论文。
根据她们的计算，暗能量最终会由产生斥力变为产生引力。根据现有的超新星数
据，她们提出的这种情况至少不会在180亿年之内发生——如果真的发生了，那么
宇宙的命运就不是“大分裂”，而是所有物质都会聚集在一起的“大坍塌”了。

　　在暗物质支配下的宇宙的命运到底是什么？这仍然是一个不确定的问题。有了
ESSENCE、SNAP的观测数据，以及哈勃太空望远镜(HST)和威尔金森微波各向异性探
测器(WMAP)的帮助，天文学家在不久的将来有可能解开暗能量这个物理学上最大的
问题之一。面对这样一个宇宙尺度的问题，天文学家的优势在于：他们有足够的时
间。 

 

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