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专业: 宇宙学

[交流] 【交流】宇宙加速膨胀的推导已有3人参与

宇宙加速膨胀的推导
从前面的讨论我们可以看到，新的标准宇宙学模型认为，宇宙加速膨胀是由‘暗能量’推动的。有的学者认为，暗能量是和爱因斯坦的宇宙学常数联系在一起的，因此暗能量概念的提出应当归功于爱因斯坦。实际上暗能量这个概念是在1998年发现所谓宇宙加速膨胀后才被Saul Perlmutter等天文学家提出，爱因斯坦这时已经去世多年。爱因斯坦本人并没有提出暗能量这个概念。因此，要讨论暗能量这个问题，首先要研究宇宙加速膨胀是如何被推导出来的。
从1929年到1998年，天文学界一直相信，宇宙是在引力作用下作减速膨胀。1998年两组天文学家在美国“天体物理学”杂志发表论文，他们根据对Ia型高红移超新星的观察，声称我们的宇宙不是在引力作用下作减速膨胀，而是正在加速膨胀。
他们得到‘宇宙正在加速膨胀’的根据是，他们发现他们所观测到的大红移的超新星的‘实际距离’都比用哈勃定律算出来的更远。Saul Perlmutter等天文学家就是根据这个观测结果推断出宇宙正在加速膨胀。1998年的这项发现震惊了世界，被列为当年《科学》杂志十大科学进展之一。
至于宇宙是否真的正在加速膨胀？对Ia型高红移超新星的观察结果是否只能用宇宙正在加速膨胀加以解释？似乎没有宇宙学家和理论物理学家愿意深究。国家天文台秦波先生在科学网上的文章‘精确宇宙学时代的暗物质问题’中提到，发现宇宙加速膨胀的“超新星宇宙学项目”的第一篇论文是发表在1995年ApJL, 440, L41。在这篇文章中，他们利用最先发现的 7 颗‘高红移’的超新星的观测结果进行分析，得出的结论可是 Einstein-de Sitter 宇宙。即 q 0 =1/2 的减速膨胀的宇宙。只是后来（1998年宣布发现宇宙在加速膨胀时）他们把高红移超新星样本数目增加到42颗时(z=0.18 -- 0.83)，再加上18颗低红移超新星的观测结果联合进行分析，他们发现，对大红移的超新星和小红移的超新星，它们的红移和距离的关系是不一样的。对小红移的超新星，它们的红移和距离的关系满足哈勃定律，但对大红移的超新星，它们的‘实际距离’都比用哈勃定律算出来的更远。由此他们推断，如果承认宇宙空间结构在大尺度上是平直的，则宇宙应当是在加速膨胀。这个结论正好和他们原来结论相反。为了从理论上解释他们的这个发现，他们认为爱因斯坦的宇宙学常数不应当为0而具有正值。于是他们把宇宙加速膨胀，宇宙学常数以及暗能量（真空能）联系在一起。（Saul Perlmutter在文章的标题中用暗能量dark energy这个词，但在文章的图中用的是vacuum energy这个词）。
现在可以应用的高红移超新星爆发样本数目会有所增加，但估计不可能有大的增加。因为在Saul Perlmutter的文章‘Supernovae, Dark Energy, and the Accelerating Universe: The Status of the Cosmological Parameters’中，还给出了在1998年10月以前各个时段发现的81个Ia型超新星（包括低红移超新星）的红移分布直方图。从这个图和文章中的描述我们可以看到，高红移Ia型超新星不是很容易就可以被观测到。
要理解宇宙加速膨胀这个理论的可靠性，我们可以看一下理论物理学家是如何看待这个理论的。中国科学院理论物理研究所李淼研究员（09年）4月11日在科学院图书馆科学文化传播服务平台进行的演讲中有一个很生动的比喻：‘我跟我一些学生最近也还在做暗能量，用数据来拟合，发现真的你从数据里面得到的一些理论参数的空间太大了，你根本不能说你的暗能量应该是什么样的性质，空间太大了，这里面猫腻非常多’。在后面的演讲中李淼先生还讲到：‘举例子，我刚才讲了，发现暗能量以后，每一个人在这里面工作的人如获至宝，这个到底是不是宝贝还不知道，也许就是垃圾’。
这样提出的‘宇宙是在加速膨胀’和暗能量理论，其可靠性有多大，我想大家看了李淼研究员的评论后心里都是有数的。天文学家之所以青睐和吹捧‘宇宙是在加速膨胀’这个天文发现，是另外有一个很特殊的理由。这个问题我将在后面‘暗能量的妙用’中加以讨论。很遗憾，现在许多天文学家根本无视‘宇宙是在加速膨胀’这个天文观测事实的基础并不是不可动摇的这个事实，坚持认为‘宇宙在加速膨胀’是无可争辩的事实，是宇宙中存在暗能量不可动摇的天文观测证据，只是我们目前对暗能量的物理性质还不清楚罢了。一些理论物理学家受到这个结论影响，为了‘抢蛋糕’，也想尽各种办法来给这个横空出世的‘暗能量’概念编故事。虽然心里清楚，要编故事就要耍些‘猫腻’。不过他们并不担心耍些‘猫腻’会有什么问题。耍‘猫腻’不成功是大多数，是科学探索中不可避免的事，不会有人去追究这些‘猫腻’的。但一旦蒙对了，更不会有人去追究这些‘猫腻’的。相反，反而会想尽各种办法为这些‘猫腻’再编故事。因此我认为，只看到一个理论能够解决一些问题，看不到这个理论可能存在的问题，不是真正地探索一个理论的科学办法。‘能够发现问题等于解决了问题的一半’这句话，我认为说得很有道理。

参考文献
67 秦波（国家天文台）精确宇宙学时代的暗物质问题
地址：http://www.sciencenet.cn/m/Print.aspx?id=28651
68 Saul Perlmutter, Physics Reports, 1998，307, 325
69 Saul Perlmutter, lpih. conf.，1999， 715P
(新牛顿宇宙第六章暗能量 6.2 宇宙加速膨胀的推导)

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