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浅谈爱因斯坦宇宙常数和暗能量 摘要：1917年，爱因斯坦发表了关于宇宙时空结构的理论——广义相对论。以此同时，爱因斯坦猜想宇宙是静止的，但广义相对论方程的解却是时间的函数，因此从广义相对论看来，宇宙是静止的。为了解决宇宙运动的矛盾，爱因斯坦在方程中增加了新的一项修改了他的方程，即宇宙常数。然而后来的天文学研究发现，宇宙是不断向外膨胀的，这样就使得爱因斯坦的宇宙常数成为了错误。在发现宇宙膨胀的事实之后，爱因斯坦划去了方程中的宇宙常数，并将宇宙常数认为是他“一生中最大的错误”[1]。但是，随着1998年天文学家发现暗能量，被丢进垃圾堆得宇宙常数再一次复活。因为宇宙不仅仅在膨胀，而且在以前所未有的加速度向外扩张，所以爱因斯坦提到的作为和引力相抗衡的宇宙常量不仅仅存在，而且大大干扰了我们的宇宙，使宇宙的膨胀速率严重失控。根据科学家的推测，最终磅礴的暗能量会把无数的星系、恒星、行星撕裂，宇宙只会剩下无边的黑暗、寒冷[2]。 关键词：爱因斯坦宇宙常数；广义相对论；宇宙膨胀；暗能量 现代天文学的研究永远绕不过的是爱因斯坦的广义相对论，因此宇宙常数就不得不摆在了天文学家们的面前。宇宙常数从诞生初期作为弥补宇宙膨胀的额外参数而加入宇宙方程，到宇宙膨胀作为事实被证实后的惨遭抛弃，直到临近21世纪时暗物质被发现后重新登上历史的舞台，不得不说是历经磨难。但物理学的奇妙就在于人们的认知永远处于局限之中，但又能够不断的在此之中发现新的乐趣。19世纪最后一天，英国物理学家威廉?汤姆生在新年祝词中提到物理学的大厦已经建成，所剩的只是一些修饰工作。但仅仅几年之后，量子理论和相对论相继问世，人们才发现物理学或许才刚刚起步。而本文仅浅述爱因斯坦常数和暗物质，包括爱因斯坦提出宇宙常数时的原因以及“宇宙常数”在天文学发展过程中的影响。 爱因斯坦利用广义相对论的场方程建构宇宙模型，这个方程的解暗示着宇宙的大小正在改变，不是正在膨胀就是正在收缩.而爱因斯坦局限于当时对宇宙的认识，认为宇宙应该是静止的，因此他又在广义相对论引力方程中引入了一个宇宙项Λ，叫“宇宙常数”，代表宇宙物质的一个成分.这个宇宙常数起的就是排斥力的作用.有了该常数之后，引力方程同时具备了引力和斥力，正好能够达到平衡，可让宇宙“静止”下来，以致方方程的解给出一个稳定的宇宙模型.但后来科学家重新计算爱因斯坦广义相对论场方程，得出即使引入宇宙常数，宇宙模型的解也是运动的.随后天文学家哈勃（Edwin Hubble）从星系光谱的红移的观测中发现宇宙中所有的星系都在彼此远离退行，离我们越远的星系退行运动的速度越快，这一发现被总结为哈勃定理[3]。哈勃的这一发现是现代宇宙学的转折点，人们第一次在天文观测中证实了宇宙并非处于静止不动的状态，而是在运动膨胀的。静止宇宙的传统观念被摒弃，宇宙处于膨胀中的论断便成为现代宇宙学理论的出发点。我们看到，不引入宇宙常数的爱因斯坦场方程恰能完美地给出宇宙的膨胀解，预言出宇宙在膨胀的图景。爱因斯坦本可以做出这一惊人的预言，然而，甚为遗憾的是他却抛出了一个宇宙常数以挽救静止宇宙的“和谐”图像。 在得知哈勃的发现之后，爱因斯坦不得不放弃了他的观点，承认“宇宙常数”是他科学观点中一个最大的错误.近年来，科学家们一再通过各种观测和计算证实，暗能量在宇宙中占主导地位，约占73%，暗物质占近23%，普通物质仅约占4%.暗能量起着推动宇宙加速膨胀的作用.从理论上讲，宇宙常数Λ在场方程中起着暗能量的作用.被爱因斯坦当初认为是错误的并让他极为懊悔的“宇宙常数”竟然是极有道理的。 那么，宇宙常数在理论上是否真有必要?其存在是否具有真实性?亦或是人类思维中的一个阴影，甚至如爱因斯坦所言，是理论上的一次失败? 宇宙常数项在场方程中的作用相当于真空斥力，在这种作用下宇宙在早期的膨胀过程中曾有过指数式的极度膨胀的阶段，称为暴胀（Innation），这是由古斯（Guth）于1981年提出的暴胀宇宙模型[4]。1933年兹维基（Zkwiky）提出缺失质量问题，他发现根据不同方法测出的星系质量存在很大的差别，这启示人们，宇宙中可能存在大量暗物质。通过几十年的观测，人们确实发现了一些暗物质，比如星系的暗晕，极小而暗弱的棕矮星，以及黑洞等。然而理论计算的结果显示质量缺失的问题仍未解决：由星系中发光物质计算出的总质量仅占宇宙临界质量的1%，计及星系晕等暗物质后，将达到10%左右；由星系团计算出的总质量为临质量的20%[5]。由此可见，宇宙中物质质量约是其临界质量的20%。如接受暴胀理论，宇宙质量应等于其临界质量，那么，缺失的80%的质量何而来呢?面对质量缺失的困惑，人们再度想到宇宙常数。 回到爱因斯坦引入宇宙常之初，我们看到，宇宙常数作为经典方程中的一项，却并没有明确的经典物理图像可与之对应，而且作为常数项，也未与自然界中的其它常数建立起联系。反而是在量子场论的观点中，宇宙常数获得了某种真实的意义，它可能与真空能量有关。从某种意义上说，宇宙常数的问题暴露出爱因斯坦引力方程可能存在的一些缺点，即在广义相对论将物质引力场完全几何化的框架中，如何理解真空能量的问题。宇宙常数可能将对真空能量等基本概念的澄清有所裨益，并有助于人们对引力理论的进一步理解。宇宙常数并不像爱因斯坦当年所说可以随便“去掉”那么简单，它已经变成了一个十分刻的物理问题。这种充满着传奇式的转变过程在许多问题上始料未及，波澜迭出，极大地丰富了科学理论创新的实践，需要从认识论的角度予升华[6]。同时，宇宙常数仍然是21世纪值得重视的学科生长点，必将引发人们更多的思考。 或许，爱因斯坦的宇宙常数是打开物理学新的大门的钥匙，虽然有可能不一定完全的正确，但是在物理学乃至人类发展史中，什么时候不都是摸着石头过河呢？并且宇宙常数和暗物质有着千丝万缕的关联，值得科学家们投入更多的精力来研究探讨。 参考文献： [1]Gamow.G（1970）.My World Line，New York：Viking press [2]薛恒道.爱因斯坦与宇宙常量[J].物理通报，2006（07）：56-57. [3]Hubble.E.p.（1936）.TheRaelmoftheNebulae，YaleUniversitypessr. [4]Guth.A.（1981）.phys.Rev.D，23，347. [5]Lonr.M.S.（1998）.GalaxyFormation，Belrin：Spirnr-Verlag. [6]奚定平，何晓微，曾丽萍.爱因斯坦宇宙常数和宇宙中暗能量[J].大学物理，2005（10）：35-38+43. 本文来源：https://www.dywdw.cn/db70979f4935eefdc8d376eeaeaad1f34793110a.html
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2023-05-02
