宇宙為什麼會加速膨脹?
按照目前的理論,我們知道,宇宙起源於138億年前的一次大爆炸。
在大爆炸之後,有一段非常短暫的時間,也就是宇宙大爆炸之後的10^(-36 )秒~10(-32)秒之間,宇宙發生了劇烈的膨脹,這個階段也被我們稱為暴脹時期。宇宙經歷了100次的加倍,變大為原來的10^30倍。下圖中的藍色部分代表宇宙空間隨時間的變化,紅色框圈出來的就是暴脹時期的宇宙尺度的變化。
暴脹時期過去之後,宇宙開始減速膨脹。可能你會想為什麼不開始收縮?
實際上,這就有點像我們向上拋小球,雖然小球獲得初速度之後,雖然受到重力,但還是向上減速運動。宇宙一開始是物質和暗物質主導的,物質之間是呈現引力的。因此,引力是宇宙當時的主導。引力會試圖把空間拉回到一個「點」上,這就有點類似於剛才例子中的小球受到重力。
但是宇宙中實際上不只有引力,實際上還存在著一種和引力正好相反的作用,我們可以稱之為斥力。這個作用和空間有關,也被稱為真空能,或者你可能更熟悉的叫法是:暗能量。當宇宙空間還很小的時候,引力大於斥力,所以宇宙減速膨脹,如果當宇宙的空間大到一定程度之後,暗能量就會占據主導,斥力就會大於引力,宇宙開始加速膨脹。
在距今45億年前後,宇宙在減速膨脹的作用下,空間大小達到了如今宇宙大小的70%,這個時候,開始加速膨脹。在加速膨脹的作用下,宇宙的空間就會急劇增大,所以,我們常常看到宇宙演化的圖像一個喇叭一樣,就是因為「喇叭口」代表的是加速膨脹。
可能你要說了,這些都是理論,有沒有石錘?
實際上還真有,1998年,物理學者索爾·珀爾馬特領導的小組和布萊恩·施密特、亞當·里斯領導的小組通過觀測Ia型超新星得到了宇宙正在加速膨脹的結果。後來,這三位科學家獲得了2011年的諾貝爾物理學獎。
他們的發現預示著宇宙中存在著「暗能量」。後來,亞當·里斯曾在公開演講中介紹到,當時他們將手裡拿到的宇宙學的參數帶入理論計算,發現宇宙的質量竟然是負數,他們通過各種檢查發現計算沒有錯,於是,他們就認定宇宙中應該存在我們看不到的物質。後來通過觀測,果然證明了他們的觀點。
膨脹的尺度
雖然我們知道了宇宙正在加速膨脹,但為什麼我們沒有感覺到?為什麼我們沒有變胖?這就要提到宇宙的膨脹其實和很多人想像的並不一樣。實際上,宇宙的膨脹是整體性地膨脹,意思是從大尺度上(10^8光年),宇宙整體在膨脹。
這就好比氣球一樣,如果把氣球點了一些點代表「星系」,那宇宙膨脹就好比把氣球吹打。因此,我們觀測到的結果其實是:在大尺度上,星系都在遠離我們。
而且距離我們越遠,星系退行的速度就越快,當距離距離我們足夠遠時,以我們為參考系,星系的退行速度就可以超光速,也就是宇宙空間的膨脹速度超光速,這意味著它們的光永遠無法照到地球上。
你會發現,我一直在強調大尺度。這就如上文說到的,暗能量和空間有關,只有空間達到一定尺度程度才能顯現出來。科學家發現,在大尺度上,也就是10^8光年的尺度上,空間顯現出來的就是膨脹效應,而在小尺度上,更多的是物質和暗物質主導,也就是引力在主導。因此,在小尺度上,我們感受不到膨脹效應。
這也是為什麼,距離我們附近的星系並沒有在遠離我們,反倒在靠近我們,比如:科學家預計在30多億年之後,銀河系和仙女座星系才發生一次合併。星系的合併在整個宇宙的歷史當中一直都在發生,銀河系有目前這樣的規模正是合併而來的。所以,引力在小尺度上充當著非常重要的角色。
而宇宙的膨脹,以及我們沒有變胖的原因也是在這裡,地球的尺度遠小於銀河系的尺度,所以,是引力占了主導。
北斗七星
我們熟悉的北斗七星是距離我們的距離度在200光年以內,遠遠小於10^8光年的尺度,因此,在這個尺度下,不會有明顯的膨脹效應。所以,我們觀測到的北斗七星並不會離我們遠去。