按照宇宙大爆炸的觀點,現在宇宙正在膨脹,請問是加速膨脹還是減速膨脹?有什麼證據?

鍾銘聊科學


答:天文學觀測數據表明,目前我們宇宙處於加速膨脹的過程中,其中暗能量對宇宙加速膨脹起了關鍵性作用,但是科學家現階段對暗能量的認識還不足。


愛因斯坦在建立引力場方程時,發現宇宙在廣義相對論的描述下是不穩定的,為了解決這個問題,愛因斯坦在最初的引力場方程中引入了宇宙學常數項,後來天文學家觀測到宇宙正在膨脹,於是愛因斯坦又去掉了宇宙學常數項,並稱這是他一生中犯下的最大錯誤。

如今,宇宙大爆炸理論有了眾多觀測數據的支持,比如美國天文學家哈勃,就根據星系的紅移規律推導出哈勃定律(Vf = Hc x D),哈勃定律描述距離我們越遠的星系,其紅移量越大,兩者呈正比例關係,就如膨脹的氣球上,距離越遠的兩點遠離速度越快。

在1998年,物理學家索爾·珀爾馬特、布萊恩·施密特和亞當·里斯,根據la型超新星的觀測數據,發現我們宇宙不僅在膨脹,而且在加速膨脹,它們三人也因此項發現共同獲得2011年物理學諾貝爾獎。


哈勃定律中的哈勃常數Hc=67.80±0.77(km/s)/Mpc,表示宇宙中相距一百萬秒差距(326萬光年)的距離上,因為宇宙膨脹導致的退行速度是67.8km/s。

由此計算的話,相距144億光年的星系,相互之間的退行速度將達到光速,意味著與地球實際距離達到144億光年的星系,發出的光線將永遠不可能到達地球;或者說我們向宇宙發出強大的信號,這些信號也只能到達可觀測宇宙中5%的星系,如果宇宙一直加速膨脹下去,這個數值將會更小。


根據宇宙大爆炸理論,在138億年前,宇宙從一個奇點開始膨脹,經歷了暴漲階段和減速膨脹階段,目前處於加速膨脹的過程中,而導致宇宙加速膨脹的是暗能量。

根據相關理論,我們宇宙中暗能量(根據質能方程換算成質量)佔了宇宙質量的68.3%,暗物質佔了26.8%,普通物質只佔4.9%,也有科學家猜測暗能量本質就是愛因斯坦說的宇宙學常數項,而暗能量和暗物質,是當今宇宙學最大的謎團。


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艾伯史密斯


對於宇宙的研究,其最重要的成果就是發現宇宙正在加速膨脹。宇宙加速膨脹的原因還不明朗,另外,宇宙中的大量的暗物質和暗能量,對人類也還是未解之謎。

上世紀,美國天文學家哈勃通過對星系光譜紅移的研究,大部分星系的光譜線都發生了紅移,也就是在不斷遠離我們,通過紅移量,還可以計算出星系與我們的距離和遠離的速度。

根據以上的觀測事實,哈勃最終確定了哈勃規律: 星系的退行速度是和與我們相距的距離是成正比的。也就是距離我們越遠的星系,退行的速度越大,各個星系之間的距離在不斷的加大。

其實,對於星系間的遠離,我們可以這樣理解,假設這些星系都是一個氣球表面上的幾個點,當氣球膨脹時,從任何一個點來觀察,其他的位點都是在不斷遠離的,而遠離的速度是和位點之間的距離成比例的。

宇宙自身在不斷膨脹,導致星系間不斷遠離,就像不是氣球是哪個的點自己在運動,而是氣球空間在膨脹,因為我們觀察到遙遠星系的遠離速度如此之快,絕對是星系自身運動無法實現的。而宇宙加速膨脹後結果會是什麼,宇宙的最終命運是什麼,是最終撕裂,還是發生塌陷,目前還是一個謎?


量子實驗室


物理學家表示:宇宙正在以超光速膨脹且膨脹的速度不斷加快。

1929年,E.P.哈勃發現河外星系視向退行速度v與距離d成正比,即距離越遠,視向速度越大。哈勃定律是物理宇宙論的陳述:來自遙遠星系光線的紅移與他們的距離成正比。


這條定律是哈勃和米爾頓·修默生在接近十年的觀測之後,於1929年首先公式化的。它被認為是在擴展空間範例上的第一個觀察依據,和今天經常被援引作為支持大爆炸宇宙學的一個重要證據。在宇宙學研究中,哈勃定律成為宇宙膨脹理論的基礎。


接下來讓我們談談弗裡德曼

有天他開始思考整個宇宙的關係,他認為空間是可以隨時間而膨脹或收縮,依據方程,弗裡德曼表示空間是可以隨著時間而膨脹或收縮。時空間隔(時空中衡量距離的方式)加上另一個衡量參數a(t),如果a(t)項翻倍意味著空間中任意兩個點之間的距離也將翻倍。因此,如果你測算出a(t)隨時間如何變化,那麼你也可以測算出宇宙是如何隨著時間而膨脹或者收縮的。



總結

從理論上來說,科學家認為,一種叫做暗能量的東西驅動了宇宙的加速膨脹,不斷衍生的暗能量促使了宇宙膨脹!與暗能量作用相反的是暗物質,它相當於星系的粘合劑,沒有暗物質,星系早就分崩離析了!不過暗能量佔據宇宙的68%,暗物質27%,而普通物質只有5% 目前看來,暗能量佔據了絕對的上風,不過這並不意味著暗能量一直統治著宇宙!


星球上的科學


人類對宇宙的革命性認知還是近一個世紀前的事



那時埃德溫.哈勃確定了宇宙中存在大量類似銀河系的大星系後,便開始分析它們的光譜,結果發現大部分星系光譜都呈現紅移,於是按照光的多普勒效應確定了我們的宇宙空間處於膨脹之中,也就是說從地球向外看大部分星系都在遠離我們。

宇宙膨脹的發現強有力都佐證了宇宙大爆炸理論,2013年歐航局普朗克衛星通過最新測定的宇宙空間膨脹速度,67.3千米每秒每百萬秒差距(67.3 km/s/Mpc)反向推導除了宇宙大爆炸發生於138.2億年前,因此宇宙的年齡也是138.2億年。

雖然距離發現宇宙膨脹已經有近一個世紀的時間了,但“宇宙加速膨脹”還是個比較新的發現

1998年三名物理學家玻爾馬特,施密特和里斯通過觀測Ia型超新星的數據得出了“宇宙正在加速膨脹”這一結論並於2011年獲得了諾貝爾物理學獎。


所謂的Ia型超新星特殊之處在於它們質量幾乎完全一致因此光度也完全一致,因此它們也被稱為“標準燭光”,天文學家就是通過這些光度穩定的Ia型超新星來測量宿主星系與地球的距離的,而宇宙加速膨脹就是因為它們的光度在加速衰弱才被發現的。

那麼好端端的宇宙為什麼會加速膨脹呢?

這個問題的答案和暗物質以及暗能量有關係,在如今的宇宙學ΛCDM模型裡,暗能量佔據了宇宙68.3%的質能,暗物質佔26.8%,我們所看到物質包括組成我們自身的物質只佔全宇宙的4.9%。



目前認為宇宙加速膨脹的元兇就是佔比68.3%的暗能量,這些具有“負壓強”的暗能量均勻的分佈在宇宙中導致了空間的加速膨脹。

在假想的宇宙結局中,空間本身的無休止加速膨脹會導致宇宙中的物質密度越來越低從而影響到小尺度的物體,到時候大到星系小到組成每個人的原子都有可能被撕裂。


宇宙觀察記錄


按照當代宇宙學理論,宇宙自從於以奇點誕生至今,一直都處在極速膨脹的狀態之中,到了今天,宇宙膨脹的趨勢還沒有停止,而且是加速膨脹。

宇宙膨脹理論的發現者,是美國天文學家哈勃,他在觀察銀河系的臨近星系的時候,突然發現,銀河系周圍的星系,幾乎都在遠離遠離銀河系,而觀察宇宙中其它的星系,發現也是如此,於是由此提出了宇宙膨脹理論,後來霍金等科學家更是據此提出了宇宙誕生於一個奇點的著名學說,奇點突然爆炸並且急劇膨脹,時間空間物質由此誕生,宇宙便由此誕生了。

進入現代以來,科學家們對於宇宙的探索更加深入了,根據最新的研究成果,諾貝爾物理學獎的獲得者曾經說過,通過對超新星的觀察,讓人類認識到了宇宙不僅在擴張、在膨脹,而且是擴張的速度越來越快,而這是因為有一種物質的存在,這個物質,就是人類至今還沒有觀測到的物質,暗物質。通過對超新星的觀察,由於空間是在擴張的,所以光子從超新星照射到地球的時候,它的波長就會被拉長,波長拉長之後就會向光譜的紅端偏移,這個就是光譜紅移。

通過這樣一種觀測,是可以計算出來星系遠離地球的速度的,當然了,我們所測得的速度,是星系傳出這個光線的時候遠離地球的速度,至於它現在的背離速度是多少,我們是不得而知的。可能很多人認為宇宙中由於引力的廣泛存在,所以宇宙膨脹到了一定的程度之後,應該在星系的引力作用下減速膨脹的,就像是向天上發射火箭然後火箭必定會落回地面一樣。但是呢,科學家通過每月一次對超新星進行拍照,通過對比紅移量,他們可以發現,超新星遠離地球的速度非但沒有減小,反而一直在增大。


這個意味著什麼呢?這就意味著宇宙的膨脹是在加速的,回到引力理論來,這種說法是站不住腳的,但是科學家注意到一點,我們的太空,實際上並不是真的空無一物,不是真的空,實際上空間中仍存有大量的能量,也就是暗能量,而這些能量加在一起,會讓宇宙加速膨脹。而宇宙至少有70%都是由暗能量組成的,相對論和量子力學一直以來都不能完全統一,而通過理解暗能量,或許就能夠找到二者的理論交叉點,進而將二者統一起來,到那個時候,宇宙到底是加速膨脹還是減速膨脹,相信理論會給我們答案的。


鏡像宇宙


本民科認為,現在的宇宙學家們不要再言必稱宇宙了,現在人類看到的只是總星系,宇宙中的無數個宇宙島之一,而且,根據普朗克巡天圖的觀測結果,事實是,總星系的內部在膨脹,而左右兩個旋臂的外側早在數十億年前就已經開始收縮了!



外星文明新時代


先說答案,宇宙是在加速膨脹,確切地說自從宇宙大爆炸開始就一直在加速膨脹!

事實上,科學家發現宇宙在加速膨脹也不過是最近百年的事情。20世紀20年代天文學家哈勃通過望遠鏡觀測遙遠的星系時,無意間發現遙遠星系正在加速遠離我們,理由很簡單,通過紅移現象發現的,光線在遠離我們時會出現紅移現象!

這說明什麼?宇宙在加速膨脹!

這一發現也是宇宙大爆炸理論的一個重要證據,不過僅憑光線紅移現象或許並不能充分說明宇宙在加速膨脹。上世紀60年代科學家們觀測到了宇宙微波背景輻射,又是宇宙大爆炸和宇宙膨脹的有力證據!

同時科學家們發現,宇宙膨脹的“元兇”是暗能量,不斷衍生的暗能量促使了宇宙膨脹!與暗能量作用相反的是暗物質,它相當於星系的粘合劑,沒有暗物質,星系早就分崩離析了!

不過暗能量佔據宇宙的70%,暗物質25%,而普通物質只有5%,所以未來宇宙的走向就在於暗物質和暗能量之間的較量,目前看來,暗能量佔據了絕對的上風,不過這並不意味著暗能量一直統治著宇宙!


宇宙探索


首先很高興看到這個問題,沒錯宇宙正在加速膨脹,並且空間是以超光速發生的膨脹,這也解釋了為何宇宙年齡為138億年,但是其直徑卻是920億光年!那麼證據是什麼呢?

LA類型的超新星:超新星爆發就像是宇宙中的燈塔一樣,每隔百年銀河系就會有一顆恆星瀕臨死亡,死亡後,如果這顆恆星質量過大,就會造成超新星爆發。每一次的爆發都會為哈勃常數進行一次定義,通過哈勃常數的改變來看,宇宙在加速的膨脹。

多普勒頻移:光也具有頻移這種特性,當光距離越來越近的時候,藍色的波長被拉長,從而取代紅色的波長,這樣就會發生藍移,而反之,當光距離你越來越遠是,藍色的波長會被紅色的波長所取代,因此會展示出紅移,距離越遠速度越快,紅移就越來越明顯。通過對大多數的星系觀測,科學家得出一個驚人的結論:大多數的星系都展示出紅移,沒錯,宇宙在加速的膨脹。至於膨脹的東西則是暗能量。

首先我們知道任何物體都具有質量和重量,舉個例子:在一個緩緩的水流中,我放置了一顆巨大的時候,你會發現當石頭落入水中後,產生的巨大重力將水流變慢,同樣的原理應用於宇宙,宇宙就是水流,星系就是石頭,宇宙中存在著數萬億顆星系,但是這麼多石頭都沒有讓宇宙停止膨脹,因此科學家得出結論,宇宙正在加速的膨脹,而支持膨脹的則是一種名為暗能量的神秘力量!

通過以上回答,我相信已經明白了宇宙為何膨脹,以及膨脹的證據,第一是通過觀測LA類型的超新星,第二通過光的多普勒頻移,第三則是我們所說的重力效應。通過將以上的理論和實驗相互結合,得出的結果則是宇宙在暗能量的幫助下在加速的膨脹,膨脹的速度為超光速!

我是宇宙V空間,一個科普天文愛好者!本文由宇宙V空間原創,轉載請註明出處!如果你對這篇文章有疑問,請在下方評論和留言!


宇宙V空間


1927年,天文學家勒梅特指出,星系紅移是因為宇宙的膨脹導致的星系退行。

1929年,哈勃以及他的團隊觀測了大量的距離地球遙遠的星系,發現它們都有一個特點,都在遠離地球,並計算出了距離和徑向速度關係,然後發表了論文。

遙遠星系的紅移與宇宙膨脹引起的紅移是一致的,並且發現遙遠的地方星系的密度比我們周圍的星系密度要大,這正好反映了在過去比現在更加擁擠的現實。

1948年,喬治·伽莫夫、拉爾夫·阿爾菲完善了宇宙的大爆炸模型,並且與羅伯特·赫爾曼的論文中預言了宇宙的微波背景輻射溫度為5K,後來,兩位美國工程師發現了宇宙微波背景輻射,其溫度為3K,與之前預言的相差不大,這說明大爆炸理論是有現實的直接證據的。

20世紀末,天文學家通過對la型超新星爆發的觀測研究,進一步證實了宇宙在膨脹。

根據大爆炸的觀點,以及哈勃定律,可以計算出距離地球越遠的星系遠離我們的速度越快,以此可以知道宇宙是處在加速膨脹的過程中,但加速膨脹的程度是比之前要放緩了一些的。

對此你們有什麼看法呢?歡迎在下方留言探討。我是科幻船塢,感謝大家的閱讀與關注

本文圖片來自於網絡,侵刪


科幻船塢


這裡先說明一點,天文學研究天文現象時,所採用的是一個個模型,這是因為在天文學領域,做觀測時,所能夠掌握的數據量極其少,這時候,就得依靠模型來匹配。模型說白了就是一次觀測和理論物理學的有機結合體。而研究宇宙的狀態其實是和宇宙模型有關的。

而最早關於宇宙的模型是地心說模型,之後又出現了日心說模型,然後有牛頓的宇宙模型,還有愛因斯坦的宇宙模型,當然,還有一個穩恆態模型等等。

當然,也有我們熟悉的宇宙大爆炸模型,可是其實宇宙大爆炸模型並不是我們如今正在使用的宇宙模型,如今正在使用的宇宙模型叫做ΛCDM模型。那什麼是ΛCDM模型呢?

ΛCDM模型

如果我們要把ΛCDM模型直接簡單粗暴地翻譯過來,那應該叫做“宇宙學常數-冷暗物質模型”,所以,你看,在這個模型裡面你實際上連一個大爆炸的字眼都看不到。但並不是說,這個模型和大爆炸沒有關係,它實際上是基於大爆炸理論建立起來的,但是它同時又描述出了目前科學家正在關心的兩個宇宙的普遍問題。

首先,我們來說冷暗物質,暗物質其實你應該並不陌生了,之前中國悟空探測器就曾經對外宣佈:可能找到了暗物質的證據。這個暗物質到底是幹嘛的呢?

簡單一句話,它是星系的粘合劑,意思是如果沒有暗物質,星系就會分崩離析。你還別不信,我們要先搞清楚,星系實際上是依靠引力拽住各種天體的。如果你甩過那種帶線的耳機,你就會發現,甩得越快,耳機就越容易飛出去,所以你就需要更大的勁拉住。現在很多星系就是這樣,外圍的恆星走得特別快,按照目前的理論計算,引力是不足以拉住它們的,之所以能夠來住它們就是因為暗物質提供了額外的引力。所以,我們才說暗物質是星系的粘合劑,如果沒有了它,星系就會散架。

宇宙學常數Λ

至於宇宙學常數是幹嘛的呢?這要從愛因斯坦說起,愛因斯坦在提出廣義相對論的時候,就發現自己的提出的引力場方程和自己的理念不一樣,具體來說就是,愛因斯坦覺得宇宙是永恆的,不變的,而方程則告訴他,宇宙在膨脹。於是,為了讓方程符合自己的預期,他加了一個宇宙學常數來抵抗宇宙膨脹,讓這個方程描述的宇宙是靜態的。

看到了吧?這裡的宇宙學常數用到的就是符號Λ。可是好景不長,哈勃通過觀測星系的紅移,他就發現,宇宙是在膨脹的,這簡直就是強行打臉愛因斯坦。

愛因斯坦也很尷尬啊,沒辦法,宇宙學常數對來說簡直是人生的一大敗筆,於是,該拿掉就得拿掉。

神反轉

你以為這事就這麼完了麼?其實並沒有,後來1998年,幾位科學家為了確認宇宙具體的膨脹效應,是加速膨脹呢,減速膨脹還是勻速膨脹?於是,他們觀測了一種叫做1a型的超新星。

這種超新星被叫做標準燭光,這是因為這是由白矮星通過襲吸積的機制使質量幾乎一致,所以它們就會產生抑制的峰值光度,也就是說,可以利用這個特點來測量宿主星系。

他就發現,宇宙竟然是在加速膨脹的。而這個結果還是兩個科研小組各自獨立發現的結果,並且得到了確認。

所以,2011年,諾貝爾物理學頒給了兩個科研小組的負責人。

而這個方向,說明了什麼呢?愛因斯坦的引力場方程需要加一個常數,之前去掉宇宙學常數,因為宇宙在膨脹,去掉後,就是勻速膨脹的結果,而這次還要再加上一個宇宙學常數,這個常數表述的其實就是加速膨脹的結果。也就是說,事情發生了神反轉,愛因斯坦的宇宙學常數又得到了復活。(雖然兩次所表述的意義是不同的)

也正因此,宇宙學常數Λ被用來表達宇宙加速膨脹的效應,而科學家認為宇宙中應該存在一種真空能,它提供與引力相反的斥力,這才使得宇宙加速膨脹。並且把真空能命名為

暗能量。通過計算,我們可以得知,暗能量佔到了全宇宙68.3%的總量。

所以,實際上ΛCDM模型是暗能量-暗物質模型。而這裡的暗能量就是使得宇宙加速膨脹的原因。


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