我们能否通过更好地理解广义相对论来抛弃暗能量?

一项关于暗能量可能不真实的更新建议 – 消除了宇宙中70%的东西 – 再次引发了长期争论。

暗能量和暗物质是解释我们无法理解的观察的理论发明。

在星系的尺度上,重力似乎比仅使用能够发光的粒子更强。因此,我们将暗物质粒子添加为宇宙质量能量的25%。从未直接检测到这种颗粒。

在宇宙膨胀的较大尺度上,在仅包含粒子的宇宙中,重力似乎比预期的要弱 – 无论是普通物质还是暗物质。所以我们加上“暗能量”:一种弱的反重力,它独立于物质。

“暗能量”的简史

暗能量的概念与广义相对论本身一样古老。阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)在100年前首次将相对论应用于宇宙学时将其包括在内。

爱因斯坦错误地想要在最大尺度上通过反重力来完全平衡物质的自我吸引力。他无法想象宇宙有一个开始,并且不希望它及时改变。

几乎没有人知道1917年的宇宙。人们争论星系是远距离物体的想法。

爱因斯坦面临两难选择。几十年后在着名教科书的介绍中总结了他的理论的物理本质是:

物质告诉空间如何弯曲,空间告诉物质如何移动。

这意味着空间自然希望扩展或收缩,与物质一起弯曲。它永远不会停滞不前。

            
            
              阿尔伯特爱因斯坦包括在他的作品中添加暗能量的想法。
              路透社
            
          

这是由亚历山大·弗里德曼(Alexander Friedmann)实现的,他在1922年保留了与爱因斯坦相同的成分。但他并没有试图平衡物质的数量和暗能量。这表明了一个可以扩展或收缩的宇宙的模型。

此外,如果只存在问题,扩展总是会放慢速度。但如果包括反引力的暗能量,它可能会加速。

自20世纪90年代后期以来,许多独立观测似乎要求在具有70%暗能量的宇宙中进行这种加速扩张。但是这个结论是基于20世纪20年代以来没有改变的旧的扩张模式。

标准宇宙学模型

爱因斯坦的方程非常困难。并不仅仅是因为他们中的更多比艾萨克牛顿的引力理论更多。

不幸的是,爱因斯坦留下了一些未解答的基本问题。这些包括 – 在什么尺度上重要告诉空间如何弯曲?作为单个粒子响应的最大物体是什么?其他尺度上的正确图片是什么?

这些问题可以通过爱因斯坦和弗里德曼引入的具有100年历史的近似来方便地避免 – 平均而言,宇宙均匀地扩展。就好像所有的宇宙结构都可以通过一个搅拌器来制作一个无特色的汤。

这种均匀化近似在宇宙历史的早期是合理的。我们从宇宙微波背景 – 大爆炸的遗物辐射 – 中知道,当宇宙不到一百万年时,物质密度的变化很小。

但是今天宇宙并不是同质的。引力不稳定导致了恒星,星系,星系团的增长,最终形成了一个巨大的“宇宙网”,由星系环绕的空洞和小束细丝穿过。

在标准宇宙学中,我们假设背景扩展,好像没有宇宙结构。然后,我们仅使用牛顿330年前的理论进行计算机模拟。这以合理引人注目的方式产生类似于观察到的宇宙网的结构。但它需要包括暗能量和暗物质作为成分。

即使发明了宇宙95%的能量密度以使其发挥作用,该模型本身仍然面临着从紧张到异常的问题。

此外,标准宇宙学还将空间曲率固定在各处均匀,并与物质分离。但这与爱因斯坦的基本观点不一致,即物质告诉太空如何弯曲。

我们没有使用所有的广义相对论!标准模型更好地概括为:弗里德曼告诉空间如何弯曲,牛顿告诉物质如何移动。

输入“backreaction”

自21世纪初以来,一些宇宙学家一直在探索这样的观点:虽然爱因斯坦的方程在小范围内将物质和曲率联系起来,但它们的大规模平均值可能会引起反作用 – 平均扩张并不完全同质。

当宇宙年轻时,物质和曲率分布开始接近均匀。但随着宇宙网的出现并变得越来越复杂,小尺度曲率的变化变大,平均膨胀变得很大

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注