簡介 一個加速膨脹的宇宙模型 Λ CDM Model – 暗物質與暗能量

前言
“加速膨脹的宇宙” 是現今最熱門的科學議題。了解什麼是 “暗物質” 與 “暗能量” 是當今十大科學謎題的前兩名。如果你能以理論或實驗証明它們的存在,保證你可拿諾貝爾獎。此文的主旨,在於 拋磚引玉,集思廣益,徵求讀者,提供任何猜想或建議,三個臭皮匠,勝過諸葛亮。

一、大爆炸理論 Big Bang Theory
大爆炸又稱大霹靂(Big Bang),是描述宇宙誕生初始條件及其後續演化的宇宙學模型。大爆炸觀點是:宇宙是在過去有限的時間之前,由一個密度極大且溫度極高的太初狀態演變而來的(宇宙大爆炸距今約137億年),並經過不斷的膨脹到達今天的狀態。
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1929年,哈勃通過天文台望遠鏡對遙遠星系和類星體的觀測,發現這些天體存在紅移——即從這些天體發出的電磁波都向波長更長的一端移動。如果將這种红移解釋為一種多普勒頻移,則可進而推知天體的退行速度。因此導出了哈勃定律: v = H0D
其中,v 是星系或其他遙遠天體的退行速度, D 是距天體的共動固有距離, H0 是哈勃常數,根據WMAP最近的測量結果為70.1 ± 1.3千米/秒/秒差距。

哈勃的觀測表明,所有遙遠的星系和星團在視線速度上都在遠離我們這一觀察點,並且距離越遠退行視速度越大。如果當前星系和星團間彼此的距離在不斷增大,則說明它們在過去曾經距離很近。從這一觀點物理學家進一步推測:在過去宇宙曾經處於一個密度極高且溫度極高的狀態。大爆炸理論還無法對宇宙的初始狀態作出任何描述和解釋,它所能描述並解釋的是宇宙在初始狀態之後的演化圖景。

通過廣義相對論將宇宙的膨脹進行時間反演,則可得出宇宙在過去有限的時間之前曾經處於一個密度和溫度都無限高的狀態,這一狀態被稱為奇點。宇宙極早期這一高溫高密的相態被稱作“大爆炸”,是我們宇宙的誕生時期。所有在暴脹時期之後的宇宙演化,都可以用宇宙學中的ΛCDM模型來非常精確地描述,這宇宙學標準模型來自於廣義相對論和量子力學各自獨立的框架。

二、宇宙演化模型 – ΛCDM Model
所有在暴脹時期之後的宇宙演化,都可以用宇宙學中的ΛCDM模型來非常精確地描述,這宇宙學標準模型來自於廣義相對論和量子力學各自獨立的框架。物理學者尚不清楚暗物質與暗能量的物理性質。

Λ CDM模型是所謂 Λ – 冷暗物質(Cold Dark Matter)模型的簡稱。這是因為它嘗試解釋了對宇宙微波背景輻射、宇宙大尺度結構以及宇宙加速膨脹的超新星觀測。它是當前能夠對這些現象提供融洽合理解釋的最簡單模型。Λ 意為宇宙學常數,是解釋當前宇宙觀測到的加速膨脹的暗能量項。宇宙學常數經常用Λ表示,含義是當前宇宙中暗能量相對於一個平直時空的宇宙的能量所佔的比例。現在認為這個數值約為0.74,即宇宙中有74%左右的能量是暗能量的形式。

而根據Λ CDM模型,由普朗克衛星探測的數據得到:整個宇宙的構成中,我們常說的物質佔4.9%,而暗物質則佔26.8%,還有68.3%是暗能量(質能等價)。對暗物質(和暗能量)的研究是現代宇宙學和粒子物理的重要課題。所謂「黑暗」,就是表示無法看到及以電磁效應觀測到,卻能尤其重力效應推斷出它們的存在。

在宇宙學中,這些是能夠構建一個自洽(self-consistent) 的物理宇宙模型的最簡單的假設。而ΛCDM模型終歸只是一個模型,ΛCDM模型也並沒有在基礎物理層面上解釋暗物質、暗能量以及具有接近尺度不變的能量譜的太初微擾的起源 (The origin of the initial perturbation of energy spectra with constant scaling),它僅僅是一個有用的參數化形式。
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暗能量和暗物質都不會吸收、反射或者輻射光,所以人類無法直接使用現有的技術進行觀測。 在宇宙學中,暗能量是指一種充溢空間的、具有負壓強的能量、增加宇宙膨脹速度的難以察覺的能量形式。它無處不在,無時不在。暗能量的密度都完全一樣,約為 1026 千克/立方米,相當於幾個氫原子的質量。太陽系中所有的暗能量加起來,與一顆小行星的質量差不多,在行星的 “舞蹈” 中,幾乎起不了作用。只有在巨大的空間尺度上和時間跨度上,才能體現出暗能量的影響力。

三、暗物質(Dark matter)
暗能量是驅動宇宙運動的一種能量。它和暗物質都不會吸收、反射或者輻射光,所以人類無法直接使用現有的技術進行觀測。 在宇宙學中,暗物質(Dark matter),是指無法通過電磁波的觀測進行研究,也就是不與電磁力產生作用的物質。雖然人們已經對暗物質作了許多天文觀測,其組成成份至今仍未能全然瞭解。
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人們目前只能透過重力產生的效應得知,而且已經發現宇宙中有大量暗物質的存在。現代天文學經由重力透鏡、宇宙中大尺度結構的形成、微波背景輻射等方法和理論來探測暗物質。[22%,則為暗物質。這種物質由仍然未知的粒子構成,它們不參與電磁作用,無法用肉眼看到。但其和普通物質一樣,參與引力作用,因此仍可能探測到。存在證據: 觀測了宇宙空間中約2.3萬個類星體,以求找到受“引力透鏡效應” Gravitational lens effect影響的類星體。]

暗物質本身不發光,也不是黑暗星雲,因為如果是黑暗星雲之類的物質,會遮掩遙遠天體所發出的光線。因此天文學家急於想知道暗物質到底是什麼。

四、暗能量 (Dark Energy)
在物理宇宙學中,暗能量是一種充溢空間的、促使宇宙產生向外擴張的難以察覺的能量形式。它均勻地散佈在空間中,使得星系之間產生相斥,進而向外擴張。 暗能量現有兩種模型:宇宙學常數(即一種均勻充滿空間的常能量密度)和純量場。宇宙常數(cosmological constant), Λ, 是添加在愛因斯坦方程式中的一個常數。

每一個宇宙都有著不同形狀的的維度,所以暗能量的多寡不是一個特定的數字,而隨著每一個宇宙的維度存在差異。適當的維度產生適度的暗能量,造就行星間的彼此牽引、地球與太陽間的適合距離,人類之所以在地球上建立歷史。我們該問的是:在多元宇宙的可能之下,為什麼生命會在這個擁有特定暗能量的宇宙中存在?由於暗能量作為宇宙擴張的動力來源,暗能量過多,則宇宙無法集聚星系;過少,則星系間的引力不足,崩潰的速度快於形成的速度。生命,就得以在這之間產生。

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About wtsai

台南一中、台大物理、 哈佛博士。曾任教授、科學家、工程師。專長: 吹牛、高能物理、太空物理,地球物理,人造衛星設計、測試、發射、資料回收及科學應用。略涉: 武俠、太極、瑜珈、導引、氣功、經脈、論語、易經、老莊、一乘佛經、禪經、靈界實相、Hawkins、Seth。

2 thoughts on “簡介 一個加速膨脹的宇宙模型 Λ CDM Model – 暗物質與暗能量

  1. 信堅師兄:
    宇宙物理極其高深,比如說:在人馬星系有一根頭髮在移動,地球那些物理狂人能測知。所以還在學習二元代數的杏州,就只能把祂們當神膜拜了,哈哈。
    倒是發想;1、暗能量與佛性有關係嗎? 2、世尊了悟的真理,是指暗能量?還是指人能極樂過一生的方法。3、我們930億光年直徑大小的宇宙之外,到底是甚麼世界?
    現在就天馬行空亂說了,或許能申請諾貝爾獎,開玩笑地,哈哈。1.地球好似宇宙的一個0.1光秒的發霉地點,人類的存在好比黴菌的發生。2.人類的行為,好比密閉空間裡的白蟻,在蛀吃一棵枯樹,類族卻力圖永生。3.暗能量作用整體宇宙,暗能量無所不在,地球應該被壟罩。4.暗物質比電磁波波細微,要開發比暗物質更精細微的觀測工具濾知。
    結論;暗物質與暗能量是宇宙俱生,人類並未參與宇宙太初的創作。但相信人類智慧歷史長河的經驗累積,總有一天能科學觀測暗物質。疑問?知道了暗物質又有甚麼用呢?,重點在這個過程,相關的科學進步,人類的文明又深遠的跨足了一大步。比如說:能悠閒的在外太空賞景、饗美食。阿;糟了;心靈怎麼辦?
    杏州敬上

    • 杏州師兄:

      難得師兄大發禪病,文思敏捷。多多練習寫作,熟能生巧,將可成為大菩薩。多謝送來很多建議,但離拿諾貝爾獎還差一大截。繼續努力!

      半人馬座(Centaurus)是夜空裡的一個巨大的明亮星座,人頭馬身。距離地球4.22 光年 (即以光速,每秒三十萬公里的速度,需飛行約四年三個月才能抵達。) 地球上的物理儀器無法測出它的一根毛髮的移動,但我們的心靈,會有感應 (萬物一體,牽一髮而動全身)。

      暗能量與佛性有關係嗎?
      當然有關。佛性是一切現象的起源。只不知是那一種自性的德能導致具有排斥力的暗能量。宇宙的快速膨脹,導致大量真空。佛經中說,真空妙有,妙有真空 。真空不空,妙有非有。暗能量可能是真空的一種特性,導致宇宙的快速膨脹。只是我們不知道這特性由何而來,是何種能量,為何具有排斥力 (反引力)。

      在我們宇宙的視界之外,因光線不能達到地球,無法觀測其他世界,或者不同維度的世界。因此沒有科學證據,可提供任何證明,只有猜測而已。古人說,人外有人,天外有天。佛經也說,世界如帝網,重重無盡。真相如何,唯證乃知。如果有一天師兄證悟了,一定要告訴我。

      精確地說,地球的直徑約一萬三千公里,相當於約0.05光秒,人類的存在好比微塵那麼細小。我們是活在暗能量的籠罩中而不覺 (如魚活在水中而不覺)。暗物質不能阻擋光波的透過,因此應該是一種透明的物質,不一定要細小。師兄所說,相當接近事實,但不精準,因此不賞雪茄 (close, but no cigar).

      暗物質與暗能量的存在,只是解說宇宙膨脹及結構的兩種假設物能。很可能也有其他更完美的解釋。可惜佛祖早生了三千年,不然他會跟我們解釋得很清楚。

      至於所問: 知道了暗物質又有甚麼用呢? 你也可問 “初生的嬰孩有什麼用處呢?” 或 “發現電磁波,有什麼用處呢?”

      信堅

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