宇宙常数 是什么

宇宙常数
1917年,爱因斯坦利用他的引力场方程,对宇宙整体进行了考察.为了解释物质密度不为零的静态宇宙的存在,他在场方程中引进一个与度规张量成比例的项,用符号∧ 表示.该比例常数很小,在银河系尺度范围可忽略不计.只在宇宙尺度下,∧ 才可能有意义,所以叫作宇宙常数.1929年,哈勃发现星系红移的哈勃定律,确定静态宇宙模型与实际不符.因税蛩固苟啻翁岢鲇Ω萌∠钪娉Jr但有些学者,如爱丁顿、德西特、泽尔多维奇则认为宇宙常数可能有新的物理意义,不宜轻易抛弃.目前,学者们对宇宙常数的看法并不一致,有的认为是正值；有的认为是负值；有的认为是常数；有的则认为它随时间而变化.但多数倾向于取正值,其物理意义可能代表宇宙真空场的能量－动量张量与可能存在于物质之间的斥力.估计宇宙常数的上限为10厘米.
(爱因斯坦首次用引力场方程来研究宇宙的整体,开创了理论宇宙学的新学科.在他提出“有限无界的静态宇宙”模型时,已经感觉到了“宇宙有引力收缩的趋势”,为了不让这个不情愿的趋势破坏了美好的静态,他特别引入了一个反引力的“宇宙常数”以抵消这种引力收缩的趋势,从而人类失去了一项重大的科学预言的机遇.1929年哈勃观察到星系光谱红移和距离的线性关系,即所谓哈勃定律.人们把红移归结于宇宙的膨胀,并推论宇宙是由于一百多亿年前的一次 大爆炸产生的,产生了标准的大爆炸宇宙学理论.当爱因斯坦得知了哈勃发现的“宇宙普遍在膨胀”的事实后,爱因斯坦承认自己引出的宇宙常数犯了一个关键性的最大错误.事实上,爱因斯坦在黑洞问题上最初也由反对意见.1916年,史瓦西从爱因斯坦的场方程得出了引力坍缩的解,即描述黑洞的解.可是爱因斯坦当时却认为物质不可能如此紧致,并著文认为这是荒谬的.后来的历史证明,黑洞是天体物理中最重要的物体,近年来的天文观测,使人们普遍认为在众多星系的中心都存在着巨大质量的黑洞. )
Einstein当初根据他的场方程解出的宇宙是膨胀的,他认为宇宙应该是平直的,所以他人为的加入了一项宇宙学常数项,使得给出的结果是平直的宇宙.但随着Hubble发现了Hubble定律,证实了宇宙的膨胀,Einstein去掉了这个常数项,并宣称这是他“一生犯的最大的错误”
然而今天,科学家重新引入了宇宙学常数项,这和当初Einstein引入以给出平直宇宙模型不同,现在的宇宙学常数项代表了暗能量和暗物质项,当然这也是会影响到宇宙的发展的,但现在这项是有意义的,而不是当初仅仅为了满足个人观念的需要
经过多年的观测和研究,人们不仅发现了宇宙在膨胀,而且随着观测手段和工具的日益先进,还发现了宇宙竟然在加速膨胀（详见“暗物质暗能量”专题）.这似乎意味着有一种反引力的什么作用在其中扮演了重要角色,科学家将这种尚不知道的反引力作用称为“暗能量”.据此人们说,爱因斯坦的反引力宇宙常数似乎又要复活了.
宇宙中某一点的引力场强与斥力场强的合场强,定义为宇宙场强
(9)
其中L是宇宙常数.根据定义,在球体的内部有
所以
(10)
在球外
(11)
当宇宙半径为a0时,有L=0,当a >> a0时,则 L=L0 .由于退行物体的速度达到光速时,我们就看不见它了*,所以我们观测不到与 L0 相对应的膨胀.
宇宙常数死而复生——暗能量
在发现了宇宙膨胀这个事实后,爱因斯坦就急忙忙把他方程中的宇宙常数项去掉了,并认为宇宙常数是他“一生中最大的错误”.随后,宇宙常数被抛进历史的垃圾堆.
然而造化弄人,几十年后,宇宙常数又像鬼魂般的复活了.这次宇宙常数的复活要归因于暗能量的发现.
1998年,天文学家们发现,宇宙不只是在膨胀,而且在以前所未有的加速度向外扩张,所有遥远的星系远离我们的速度越来越快.那么一定有某种隐藏的力量在暗中把星系相互以加速膨胀的方式撕扯开来,这是一种具有排斥力的能量,科学家们把它称为“暗能量”.近年来,科学家们通过各种的观测和计算证实,暗能量不仅存在,而且在宇宙中占主导地位,它的总量约达到宇宙总量的73%,而宇宙中的暗物质约占23%、普通物质仅约占4%.我们一直以为满天繁星就已经够多了,宇宙中还有什么能比得上它们呢?而现在,我们才发现这满天繁星却是“弱势群体”,剩下的绝大部分都是我们知之甚少或干脆一无所知的,这怎么不让人感到惊心动魄呢!
事实上,早在1930年,就有天体物理学家指出,爱因斯坦那加入了宇宙常数的宇宙学方程并不能导出完全静态的宇宙：因为引力和宇宙常数是不稳定的平衡,一个小小的扰动就能导致宇宙失控的膨胀和收缩.而暗能量的发现告诉我们,爱因斯坦那作为与引力相抗衡的宇宙常数不仅确确实实存在,而且大大扰动了我们的宇宙,使宇宙的膨胀速率严重失控.在经历了一系列曲折后,宇宙常数正在时间中复活.
宇宙常数今日以暗能量的面目出现在世人面前,它所产生的汹涌澎湃的排斥力已令整个宇宙为之变色!暗能量和引力之间的角力战自宇宙诞生起就没有停止过,在这场漫长的战斗中,最举足轻重的就是彼此的密度.物质的密度随着宇宙膨胀导致的空间增大而递减；但暗能量的密度在宇宙膨胀时,变化得非常缓慢,或者根本保持不变.在很久以前,物质的密度是较大的,因此那时的宇宙是处于减速膨胀的阶段；现今的暗能量密度已经大于物质的密度,排斥力已经从引力手中彻底夺得了控制权,以前所未有的速度推动宇宙膨胀.根据一些科学家的预测,再过200多亿年,宇宙将迎来动荡的末日,恐怖的暗能量终将把所有的星系、恒星、行星一一撕裂,宇宙将只剩下没有尽头的寒冷、黑暗.
暗能量的发现,也充分地体现了人类认知过程又走进了一个“悖论怪圈”：即宇宙中所占比例最多的,反而是最迟也是最难为我们所知晓的.一方面人类现在对宇宙奥秘的了解越来越多,另一方面我们所要面对的未知也越来越多.而这日益深远的未知又反过来不断刺激着人类去探索宇宙背后的真相.
暗能量是怎么来的?它将如何发展?这已经是21世纪宇宙学所面临的最重大问题之一.
黑洞大发现
广义相对论表明,引力场可以造成空间弯曲,强大的引力场可以造成强烈的空间弯曲,那么无限强大的引力场会产生什么情况呢?
1916年爱因斯坦发表广义相对论后不久,德国物理学家卡尔·史瓦西就用这个理论描绘了一个假设的完全球状星体附近的空间和时间是如何弯曲的.他证明,假如星体质量聚集到一个足够小的球状区域里,比如一个天体的质量与太阳相同,而半径只有3公里时,引力的强烈挤压会使那个天体的密度无限增大,然后产生灾难性的坍塌,使那里的时空变得无限弯曲,在这样的时空中,连光都不能逃逸!由于没有了光信号的联系,这个时空就与外面的时空分割成两个性质不同的区域,那个分割球面就是视界.
这就是我们今天耳熟能详的黑洞,但在那个年代,几乎没有人相信有这么奇怪的天体存在,甚至包括爱因斯坦本人和爱丁顿这样的相对论大师也明确表示反对这种怪物,爱因斯坦还说他可以证明没有任何星体可以达到密度无限大.就连黑洞这个名称也是一直到1967年才由美国物理学家惠勒命名.
历史当然不会因此而停止前进,时间进入20世纪30年代,美国天文学家钱德拉塞卡提出了著名的“钱德拉塞卡极限”,即：一颗恒星当其氢核燃尽后的质量是太阳质量的 1.44倍以上时,将不可能变成白矮星,而会继续坍塌收缩,变成体积比白矮星更小、密度比白矮星更大的星体,即中子星.1939年,美国物理学家奥本海默进一步证明,一颗恒星当其氢核燃尽后的质量是太阳质量的3倍以上时,其自身引力的作用将能使光线都不能逃出这个星体的范围.
随着经验的积累,关于黑洞的理论变得成熟起来,人们从彻底拒绝这个怪物到渐渐相信它,到20世纪60年代,人们已普遍接受黑洞的概念,黑洞的奥秘被逐渐研究出来.
严格而言,黑洞并不是通常意义下的“星”, 而只是空间的一个区域.这是与我们日常宇宙空间互不连通的区域,黑洞视界将这两个区域隔绝开,在视界以外,可以由光信号在任意距离上相互联系,这就是我们所居住的正常宇宙；而在视界以内,光线并不能自由地从一个地方传播到另一个地方,而是都朝向中心集聚,事件之间的联系受到严格限制,这就是黑洞.
在黑洞的内部,物体向黑洞坠落的过程中,潮汐力越来越大,在中心区域,引力和起潮力都是无限大.因此,在黑洞中心,除了质量、电荷和角动量以外,物质其他特性全部丧失,原子、分子等等都将不复存在!在这种情形下,无法谈论黑洞的哪一部分物质,黑洞是一个统一体.