漫聊合集 【重置版】暗能量：比暗物質更神秘的謎團

你以爲我們的科學已經很瞭解宇宙了 但其實人類所有的知識加起來也只瞭解整個宇宙的不到5% 當然這5%裏面也還有很多的謎短沒有解開 我們說的瞭解是說我們可以觀測可以研究的這5%的物質 剩下的95%裏面有27%被人們稱爲暗物質 人類通過他們的引力效應推測它是有質量的 但是除了質量之外我們沒有任何辦法能觀測和研究這種物質 但是這還算好 起碼我們知道這27%它還是物質 那麼另外還有68%對我們來說就更是一團謎了 這68%被物理學家們稱爲暗能量 你可以想象它是一個非常龐大的存在 但是我們不知道它到底是什麼東西 既然不知道它是什麼東西 我們爲什麼要把它叫暗能量呢 它是某種能量嗎 其實啊 這種東西和我們已知的能量根本不是一回事 實際上你隨便把它叫什麼都可以 那麼既然它不是物質 也沒有引力 我們對它又一無所知 那科學家們難道是閒着沒事創造出一個概念來嗎 還真不是 暗能量有一點可以被人們觀測到 就是它讓宇宙快速膨脹 這麼大比例的一個東西啊 其實人們對它的發現還是純屬偶然 科學家本來是在試圖尋找別的東西 他們在尋找什麼呢 是想測量宇宙膨脹減慢的速度 但是他們卻在無意中發現 宇宙的膨脹根本就沒有減慢 反倒是在加快 這個還得從頭說起 最早的時候人們相信宇宙是一直像現在這樣的 最起碼空間的大小是一直保持不變的 這看上去是一個非常符合直覺的答案 但科學的發展告訴我們 錯誤往往就藏在最符合人們直覺的事情裏面 直到100多年前 大多數科學家還認爲宇宙一直是現在這個樣子的 連大科學家愛因斯坦也是這麼認爲的 大多數人甚至沒法想象宇宙居然會變化 但是忽然有一天 天文學家發現了一些有點奇怪的事情 他們測量我們周圍恆星和星系的光 發現所有的東西都在和其他的東西遠離 人們發現這個遠離的效應是通過光的紅移現象 也就是當一個物體遠離我們的時候 我們看到它發出的光線比它實際應該發出的光線要偏向光譜的紅色端 但是你一定要搞清楚 所有東西都在遠離我們 並不代表我們處在宇宙的中心 這就有點像一個麪包上有好多的葡萄乾 麪包越烤越大 每一個葡萄乾都彼此遠離 你站在任何一個葡萄乾上都會發現所有的葡萄乾都在遠離你自己 但是任何一個葡萄乾都不在這個麪包的中心 既然人們發現宇宙一直在膨脹 這就意味着它現在要比以前大 如果你沿着這個思路繼續往回追溯的話 你一定能想到在很久以前的某一個時刻宇宙一定會非常的小 當時有的物理學家就認爲這很荒唐 還給這個宇宙模型起了個很諷刺的名字叫大爆炸 Big Bang 我想他們當時說這個詞的時候一定舉着一個雙引號的手勢 結果就是這樣一個略帶諷刺的名稱成了現在宇宙膨脹理論的標準叫法 天文學家發現宇宙在膨脹是在1931年 這意味着它最初可能是非常非常小的一個點 你要使勁去想 才能想到把我們整個宇宙壓縮到一個非常小的一點 它的密度會有多大 需要注意的一點是這個點並不是漂浮在某一個更大的空間中 這個點裏面本身就包含了所有的空間和時間 那麼把這個無限小密度無限大的點叫做起點 在起點之外什麼都沒有 好了 人們都明白宇宙是怎樣開始的 這件事好像沒有那麼重要 但是既然宇宙在膨脹 你順着這個思路往下推 就不禁要問宇宙是從膨脹開始的 那它會以怎樣的方式來結束呢 答案藏在我們前面說的四種基本力集中之一 也就是引力 當宇宙中所有的東西都在彼此遠離的時候 引力是朝着相反的方向 也就是朝理的方向起作用的 宇宙中的每一個物質都會被引力拉扯 但這件事對宇宙的最終命運意味着什麼呢 人們想出了幾個不同的答案 之所以答案不同 完全取決於我們這個宇宙內部到底有多大的引力 也就是到底有多少物質 這個排列組合也很簡單 第一種猜想就是宇宙中有很多很多的東西 引力最終會取勝 膨脹會逐漸減慢 所有的東西都會縮回來 這個叫做大擠壓 第二種可能是宇宙中沒有那麼多的東西 引力沒法減慢膨脹 宇宙將會永遠膨脹 直到變得越來越稀薄 越來越寒冷 第三種就比較巧了 就是說宇宙中恰好有足夠多的東西讓引力來減慢膨脹 但是宇宙中物質的總量又精確到恰好不足以使它停止並且開始收縮 宇宙會持續膨脹 但是膨脹的速度會越來越慢 越來越慢 逐漸趨近於零 既然宇宙發生了爆炸 目前又沒有其他的力繼續把它向外推 只有一個引力把它往回拉 那麼我能得到的就是這三種可能 你猜猜這三種可能哪一種猜對了呢 有時候物理學就會和最聰明的頭腦開一個天大的玩笑 人們發現以上這三種猜想全都不對 正確的答案是第四種可能宇宙正在加速膨脹 那麼科學家是怎麼知道宇宙是在加速膨脹的呢 我們只需要和幾十億年前相比 其他星系遠離我們的速度是變快了還是變慢了 那人們就需要知道在過去星系遠離我們的速度 也要知道現在星系遠離我們的速度 然後進行比較 預測將來是很難的一件事 但對於天文學家來說 調查過去就很容易了 因爲宇宙非常大 光速又很有限 光需要花很長的時間才能從遙遠的地方來到我們的地球 這就意味着我們看到遙遠的恆星 它發出的光是非常非常古老的 我們就能通過這些光看到遙遠的過去 如果我們看到非常遠的物體以某一個速度運動 而近一些的物體呢以另外一個速度運動 那麼我們就可以推斷物體的運動速度是隨着時間而改變的 說到這 我們就得說一下 你怎麼區分一顆離你很近的暗一點的恆星和一顆離你很遠的很亮的星星呢 如果你從望遠鏡裏看他們 他們是一樣的 都是一個暗淡的小光點 我們就不可能真的派宇宙飛船飛過去 看他們到底有多遠 這種尷尬持續了很多年 直到科學家找出了一種特別的恆星 這種恆星在任何地方都表現的一模一樣 這種恆星會以同樣的速率變大 達到特定大小的時候 他們會先向內崩塌 然後又產生一個大爆發 這類星星被科學家稱爲IA型超新星 IA型超新星它最大的用處就是它們一般都是以相同的方式爆發 也就是說 經過一定的校準之後 如果你看到一個IA型超新星 它很暗 那麼它一定是離你比較遠 如果你看到一個IA型超新星比較亮 那麼它肯定離你比較近 這就像在大海中放着很多的燈塔 我們完全可以通過辨別燈塔的明和暗來判斷它離我們的遠和近 天文學家也就把這種IA型的超新星稱爲標準燭光 那知道了它離我們到底有多遠 再結合我們剛纔說的紅移效應 我們就能知道這些物體的運動速度 這就意味着天文學家們能夠測量宇宙膨脹的速度隨時間是怎麼變化的 當時有兩個科學團隊展開比賽 看看哪一方先測出宇宙膨脹的速率變化 當然 當時的人還是根據我們前面說的前三種猜測來尋找答案 這兩隻科學家隊伍都假設宇宙的膨脹速度或者減慢或者保持不變 結果讓他們感到迷惑的是 事情恰恰相反 比起過去的航星 在時間上離我們更近的航星 它遠離我們的速度會更快 換句話說 宇宙的膨脹比原來更快了 這讓人們直接推出了一個答案 有某種神祕的力量正在把宇宙中所有的東西向外推 並且它推的這個力量比宇宙中所有的東西加起來所產生的引力還要大 實際的計算結果顯示宇宙膨脹在一開始的時候確實減慢過 但是在最近的51年中 宇宙確實是在加速膨脹 科學家把這個使宇宙加速膨脹的驅動力叫做暗能量 當然 像暗物質一樣 我們看不見它 它呢又把所有東西都向外推開 所以科學家就把它叫做能量 通過計算 科學家們得出了結論 它差不多代表了宇宙中所有物質和能量的68% 除了通過觀察宇宙膨脹速率的變化來推測暗物質和暗能量的比例 我們還可以通過觀察目前的宇宙結構來判斷它們的比例 我們所看到的宇宙通過一種特定的佈局把行星和星系組織在一起 科學家們通過計算機模擬 可以從宇宙現在的狀態回溯到大爆炸剛剛結束的時候 看一下需要多少暗物質和暗能量才能使宇宙反過來變成我們現在看到的樣子 如果你在模擬中沒有設定適當比例的暗物質 那麼就不能得到現在所看見的星系形狀 它們在模擬中形成的時間也沒法和現實情況相對應 暗物質提供的巨大的引力可以幫助普通物質聚集到一起 星系在及早形成的時候必然需要這麼多的暗物質 而暗能量又在不斷往外推我們的宇宙 讓這個模擬在時間軸上和現實的宇宙混合到一起 如果你在模擬中把暗物質和暗能量混在一起 也就是說假設暗能量不存在暗物質佔95% 你也同樣沒辦法在模擬中得到同樣的答案 除此之外 科學家們還有很多其他的方法來計算暗物質和暗能量的比例 咱們就不一一說了 無論人們用什麼方法來計算 宇宙中常規物質暗物質和暗能量的比例就是5% 27%和68% 好了 現在我們已經知道暗能量的比例以及我們發現了暗能量的方法 但是暗能量到底是什麼呢 我們只知道它是一種使宇宙膨脹的力 但除此之外我們什麼都不知道 目前比較流行的觀點就是 暗能量是來自空間本身的能量 一般人們認爲物質就是空的反面 星系和星系之間有些地方只有空間 沒有物質 甚至連暗物質都沒有 現在你可以想象一下 如果在這個空的空間裏有能量 這個能量就能提供一種效應 把宇宙向外推 這聽起來有點荒唐 但其實在科學上還是有一定合理性的 在量子力學裏真空中就存在能量的漲幅 根據量子力學 微觀上的物體可以做到很多宏觀上的物體做不到的事情 比如說它們可以擁有不確定的位置 比如說在你觀測它的時候和不觀測它的時候 它呈現出不同的樣子 同樣 根據量子物理 在一個非常小的空間裏 粒子可以從能量裏突然出現 然後又變回能量 既然連量子物理都這麼開腦洞了 那我們爲什麼不能接受看起來空無一物的空間裏面實際上充滿了可以把宇宙推開的能量呢 但是啊 這個解釋也存在一個問題 根據量子力學計算空間裏應該有多少能量的時候 科學家們得到了一個特別大的答案 這個答案比量子力學中應該有的答案大了10的60次方倍 也就是10後面跟着60個零 你可能理解不了這麼大的數字啊 人們估計整個宇宙的粒子數加起來也就是10的85次方個 那一個計算的結果大了10的64方倍 肯定是有點太離譜了 人們對暗能量還有其他的解釋 比如滲透到空間裏面的新型的力 或者一種特殊的場 這一類理論有很多不同的版本 但是它們有一個共同點 就是很難驗證 比如說這些猜想中的作用場有一些不與我們常規的粒子相互作用 我們就沒法探測它們 有些場呢 可能會有一些新的粒子 但是那些粒子質量非常非常的大 遠超我們目前能測量的範圍 剛纔說的這些理論都處於發展的初期 你也可以理解爲處於科學的最前沿 既然是最前沿的科學 就還沒有一個標準的答案 聽完暗能量是什麼 你再回頭看暗物質 就覺得它比較可愛了 至少我們還知道它好歹是物質嘛 目前的物理學家並不是一定要先把暗物質搞明白 纔去研究暗能量 只不過暗能量 畢竟暗物質來說人們所知的線索更少而已 就像上一期節目我們說到的 人們去研究暗物質的過程中一定會有新的突破性的發現 能夠反過來影響現實中的常規物質 對暗能量的研究也必然會帶來革命性的顛覆性的發現 這對我們來說肯定是件好事 但是暗能量的存在也帶來了一個壞消息 如果宇宙因爲暗能量膨脹的越來越快 那麼所有的東西都在越來越快的離我們遠去 隨着膨脹持續加速 宇宙中物體互相遠離的速度最終會超過光速 可能你會說 愛因斯坦的相對論不是禁止宇宙中任何的速度超過光速嗎 嚴格來說 相對論是禁止任何攜帶信息的速度超過光速 那一個物體遠離我們的速度是不攜帶任何信息的 所以它遠離我們的速度超過光速 這一點並不違反相對論 如果這個猜想是真的 那就意味着總有一天任何恆星的光就再也沒法傳到我們這裏了 此時此刻 你能在夜空中看見的星星就一定比昨天要少了 人們推測 在幾十億年之後 夜空中就只能看見幾顆星星了 再過很多很多年 夜空就只剩下一片漆黑了 當然 到了那個時候 我們人類是不是還存在 或者說以一種什麼樣的形式存在就不好說了 畢竟是幾十億年之後的事兒嘛 假設宇宙到了那個時候 發展出了一個新的文明 那個文明就會認爲宇宙中沒有星星 在那個文明裏也不會存在天文學家 想象一下 那個時代的文明還真的是挺孤獨的 當然 人類的科學也只發展了幾百年 我們只是通過現有的數據來對未來進行推測 說不好有一天宇宙膨脹的速度又變慢了呢 也許在那一天我們還沒搞清楚暗能量是什麼 它就神祕的消失了 好了 我們用兩小節的時間說完了暗物質和暗能量 聽到這 也許你會覺得我們還是回到最常規的那5%的物質世界裏來吧 畢竟那纔是我們最熟悉的地方 說到這 就有個不好的消息告訴你了 對於我們已經可以正常觀測和研究的這5% 我們同樣有一大堆的謎團沒有破解 其中一個謎團就是最基本的物質粒子到底是什麼 那這部分內容我們放到下一小節再來跟你說 我們下期再見