宇宙

。“我们在这篇论文中所做的，就是提出了测量的精度极限。幸运的是，这些极限应该在JDEM实验的能力范围以内。” 林德和考德威尔都是DOE/NASA的JDEM科学定义小组成员，这个小组负责草拟这项任务的科学目标。林德是SNAP的理论小组负责人，SNAP就是超新星/加速度探测器（SuperNove/Acceleration Probe）的缩写，是被提议执行JDEM任务的探测器之一。考德威尔，达特默斯大学的物理和天文学教授，是精质这个概念的提出者之一。在他们的这篇论文中，林德和考德威尔描述了这两种情况，一种被称为“溶化型（thawing）”，一种被称为“冷冻型（freezing）”，它们为我们始终膨胀着的宇宙指出了两种截然不同的命运。在溶化型模式下，膨胀的加速度将会逐渐减少，最终停止下来，就像司机放慢油门时的那辆汽车一样。膨胀也许会更加缓慢地持续下去，甚至宇宙可能会重新坍缩。而在冷冻型模式下，加速将会无限期持续下去，就像一辆踩足了油门的汽车一样。宇宙将变得越来越弥散，直到最终我们的星系发现自己孤立于太空之中。不论哪种模式，都排除了爱因斯坦的宇宙学常数。在他们的论文中，林德和考德威尔第一次证明了，如何清楚地将爱因斯坦的想法与其他的可能情况区分开来。不过，在任何模式下，暗能量都是一个必需认真对待的力量。林德说，“因为暗能量构成了宇宙成份的大约70%，比物质成份更占优势。这意味着暗能量将支配宇宙的膨胀，并且最终决定宇宙的命运。” 1998年，两个研究小组震惊了宇宙学界，他们各自独立地宣布，宇宙的膨胀是加速的。这两个小组分别是总部设在伯克利实验室的超新星宇宙学计划（Supernova Cosmology Project）小组和澳大利亚的高红移超新星搜索小组（High-Z Supernova Search Team）。通过测量在遥远的深空中-出特定能量的Ia型超新星光线的红移，他们测定出宇宙的膨胀确实是在加速，而不是减速。这种加速膨胀背后的未知力量被称为“暗能量”。在暗能量被发现以前，传统的科学知识认为，大-所产生的宇宙膨胀会被引力逐渐减缓下来。如果宇宙中的物质成份提供了足够的引力，总有一天，膨胀会完全停止，宇宙会在一场大坍缩中落回原点。如果物质提供的引力不足以完全停止膨胀，宇宙就将永远继续飘散下去。 “根据1998年的发现和随后的测量，我们现在知道，宇宙的加速膨胀是在过去100亿年内的某个时刻才开始出现的，”考德威尔说。宇宙学家们现在正争抢着确定暗能量的本质。1917年，爱因斯坦在他的广义相对论中引入了一个宇宙学常数，如果取值合适，它将使宇宙可以以一个完美平衡的静止状态存在下去。尽管这位史上最伟大的科学家后来称增加这个常数是他“最大的错误”，但暗能量的发现又使这个想法被再次提起。 “宇宙学常数是一种真空能量，阻止引力拉扯宇宙本身，”林德说。“宇宙学常数的问题在于，它是一个常数，拥有不随时间变化的相同的能量密度，压力和状态方程。而暗能量在宇宙的最早阶段是必须被忽略的；不然星系和其中所有的恒星都将永远无法形成。” 如果是爱斯因坦的宇宙学常数形成了我们今天看到的宇宙，那么能量的大小将比我们在宇宙中看到的任何其他东西都要小许多个量级。林德说，尽管这也是有可能的，但它的可能性似乎不大。因此“精质”的概念被引入了，它是以古希腊人的第五元素，即除了气、土、火和水以外的第五种元素的名称命名的；古希腊人相信，这是一种使得月球和恒星各就各位的力量。 “精质是一种动态的、随时间演化的、与空间有关的能量形式，它的负压力足以驱使宇宙的加速膨胀，”考德威尔说。“反之，宇宙学常数是一种非常特殊的能量形式——真空能量，精质则包括了更广泛的可能性。” 为了限制精质的各种可能性，并且为检验精质的暗能量候选者资格提供明确的目标，林德和考德威尔利用了一个标量场来建立它们的模型。标量场只提供空间任意点上的数值，而不包括方向。利用这种近似，作者就能够将精质表示为一个正在将势能放松到最小值的标量场。想像一组紧绷的弹簧，产生出一个负压，与引力的正压相抵消。 “一个精质标量场就像是遍布空间各点的弹簧场，每个弹簧都被拉伸到不同的长度，”林德说。“而对爱因斯坦的宇宙学常数来说，每个弹簧都会是同样的长度，并且是不动的。” 在他们的溶化型模式中，精质场的势能最初是被“冷冻”在某个位置的，直到在一个膨胀的宇宙中，越来越低的物质密度逐渐将它释放出来。而在冷冻型模式中，自从宇宙经历暴涨以来，精质场就一直在它的最小势能附近起伏，但随着它开始主宰宇宙，它最终将变成一个常数。 SNAP的提议是由伯克实验室的物理学家、天文学家和工程师们，在加州大学伯克利分校和其他研究单位的同事的合作之下，研究与开发出来的；它要求将一台三镜面、2米口径的反射望远镜送入远地轨道，每年可以用来寻找和测量上千颗Ia型超新星。这些测量将提供足够的信息，明确地指向溶化型模式或者冷冻型模式——或者是另外一些全新的未知事物。林德说，“如果这些SNAP所做的测量结果超出了溶化型和冷冻型模式的范围，那么我们就必须考虑精质以外的理论，这也许是更加奇异的物理，比如用修正的爱因斯坦广义相对论来解释暗能量。”
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