為何宇宙加速膨脹一定需要所謂暗能量驅動?

宇宙的膨脹是空間的膨脹,為何空間加速膨脹需要引入暗能量才能解釋?能量驅動質量加速是在具有質量的物質世界中的廣泛認知,但空間加速膨脹需要能量驅動的基礎從何而來?人類可以以實驗方法利用能量使空間加速膨脹么?

對於宇宙加速膨脹現象,引入了暗能量的概念,這是我們從物質世界的理解,讓物體加速需要能量驅動。但宇宙膨脹的實質是空間的膨脹,並非給與物質動能。比如說,宇宙的年齡是138億年,但宇宙視界是460億光年,就是說,宇宙膨脹速度是可以超光速的,如果以能量去驅動物質加速,是無論如何不可能的。

舉個例子:以類似光子靜質量的概念來定義AB兩個不帶任何動能的靜天體,假設宇宙起源階段,宇宙尺度為10光年,AB兩個完全沒有動能的天體相距9光年(不考慮其它引力系對AB天體的影響,靜天體本身就是種假設),100億年後,宇宙膨脹尺度為300億光年,AB天體相距270億光年。不能說AB天體在宇宙加速膨脹作用下經過100億年間運動了261億光年吧?首先,宇宙的膨脹是「超光速」的,其次,經過100億年,所謂的」暗能量「並未給與AB任何動能,AB系統仍然是相對靜止的。

「暗能量"是為了解釋宇宙加速膨脹現象而引入的,但我們並不知道驅動空間加速膨脹是否真的需要能量,也許宇宙空間的加速膨脹是宇宙的一個固有屬性,並非能量驅使。


謝邀:

你對能量的理解有偏差,暗能量不是直接推動物體之間遠離,而是改變了時空演化的趨勢。

一個簡單的道理,宇宙中所有物質之間都有萬有引力,是相互吸引的。如果沒有暗能量,那麼由於物質之間相互吸引,那麼所有物質都會由於吸引,那麼星系之間遠離的速度會減小,宇宙會總體減速膨脹的。然而事實是相反,星系之間離開得越來越快。

狹義相對論推導出質能關係之後,大家都知道能量和質量本質上可以互相轉化。物質和能量本質上是一體的,不過是在不同的條件下不同的表達而已。

至於空間和能量的關係,原因是因為廣義相對論。廣義相對論認為:物質決定時空,時空決定物質運動。因此時空的結構和演化本質上是由宇宙內所有的「物質」決定。這個「物質」包括普通物質(重子和暗物質),輻射,宇宙曲率(等於0,可以不考慮),還有其他未知項(比如宇宙常數)。不同的「物質」會決定宇宙如何演化,三維時空下,純輻射和純普通物質的宇宙都會收縮,而有暗能量,比如含宇宙常數的的宇宙會加速膨脹。

不給公式會顯得不專業:

.................

Rightarrow frac{d^{2} a}{dt^{2} }=-H_{0}^{2}  (frac{Omega_m}{2a^2}+frac{Omega_r}{a^3}-Omega_Lambda a)

Friedman方程指出:宇宙的尺度 a 變化加速度取決與mass, radiation 和 常數Lambda, 只要Lambda組分大於mass 和 radiation的組分,上式右邊就為正,宇宙就會加速膨脹。

1998年超新星觀測發現之後,如果僅僅考慮普通物質,輻射,和宇宙曲率,宇宙不可能加速膨脹。所以這裡面還有未知的東西。Michael Turner 在1998年最早提出 Dark Energy, 這個也是情理之中的,第一,字面意思上和Dark Matter 區分。第二,闡明了這種東西的未知屬性,並不一定就是宇宙常數,也絕不是Vacuum Energy,還是有可能是其他來源的。所以很快被接受了。

好文當然要給鏈接的。

Dark Matter and Dark Energy in the Universe

http://arxiv.org/abs/astro-ph/9811454

至於你說的時空自己加速膨脹,那就不得而知了,這超出廣義相對論,也超出了我們現在所知道的物理範圍。


我不懂天體物理學,為什麼邀請我!


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