暗能量

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宇宙之谜:暗物质与暗能量两大宇宙“黑帮”合流
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2004年07月13日17:36 (此文版权属《国际先驱导报》,任何媒体若需转载,务必经该报许可。

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暗物质和暗能量是当代宇宙学未解的两大谜,也决定着宇宙的最终命运,最新的理论表明:它们可能是一种东西。

在过去几年间,科学家发现宇宙似乎充满着不是一种而是两种看不见的成分——暗物质和暗能量,它们占了宇宙整个物质构成的绝大部分,根据最新的估计,在宇宙构成中,暗能量占了75%,暗物质占23%,常规物质和能量只占2%。

两大谜团合二为一
1970年代,天文物理学家为解释星系的运动提出,一类看不见的粒子存在于星系周围,这类粒子随后被称为“暗物质”。

根据天文观察资料,科学家们估计宇宙中暗物质有常规物质的10倍之多。

对暗物质的一种解释是,它们是由一类新的粒子“弱相互作用大质量粒子”(简称WIMP)组成的,这种粒子不能发光,并和常规物质几乎不发生相互作用。

迄今科学家们已做了大量实验来搜寻这类粒子存在的证据。

1998年以来,为解释宇宙加速膨胀运动,一些科学家又提出“暗能量”概念,认为暗能量作为一种巨大的斥力在推动宇宙加速膨胀。

揭示宇宙中这两种“黑势力”之谜成为了当前宇宙学的最大一个热点。

日前,美国范德比尔特大学的理论物理学家罗伯特·谢勒提出一个新模型,把这两个谜缩减为一个,即认为暗物质和暗能量只是单一一种未知力量的两个方面。

6月30日一期《物理学评论通信》杂志上刊载了描述他的这一模型的一篇文章。

他说:“思考这个问题的一个方式是:宇宙充塞着一种看不见的流体,这种流体会对常规物质施加压力,并改变宇宙扩张的方式。

”谢勒认为,他的这一模型极其简单,并可避免先前试图把暗物质和暗能量统一起来的一些理论模型中的困难。

两个不同的演化阶段
谢勒在其理论模型中,把暗物质和暗能量统归为一种称为“标量场”的奇特能量形式。

这种能量场有着严格的定义,而且性质复杂。

在此,“场”是指一种具有能量和压力、遍及整个空间物理量。

宇宙学家最先是用标量场来解释宇宙大爆炸之后的暴涨过程。

根据暴涨理论,宇宙在大爆炸后即经历了一个持续时间不到一秒但暴涨了几万万亿倍的急剧膨胀过程。

谢勒在其模型中引入了一个第二代标量场,称为“K-本质”。

“K-本质”这一概念是由普林斯顿大学的理论物理学家保罗·斯泰恩哈德等人为解释暗能量而提出来的,但谢勒是第一个指出一种简单的“K-本质”标量场也可以用来解释暗物质的人。

科学家们之所以提出“暗物质”和“暗能量”两个不同概念,原因是它们的表现不同。

暗物质好像有质量并会形成巨大的团块,宇宙学家事实上计算出这些暗物质团块的引力作用在使常规物质形成星系的过程中起了关键作用。

而暗能量相反地似乎是没有质量的,并均匀分布在整个宇宙空间,其作用与引力相反,是一种斥力,把宇宙推散开来。

“K-本质”标量场能随时间而改变其行为。

谢勒在研究一种非常简单的“K-本质”标量场——其中潜在的能量是固定的——时,发现这种标量场在其演化的某一个阶段时会发生团聚,导致看不见的暗物质粒子的效果,而随后在另一个阶段则会均匀分布在整个空间,具有暗能量一样的性质。

谢勒说:“这个模型在一段时间很自然地演化成一种像是暗物质的状态,然后又进到像是暗能量的状态。

当我认识到这一点时,我想,‘这看来很有启发意义,值得好好研究一下。

’”于是,谢勒更详尽地检查了这个模型,发现它不会产生先前那些试图把暗物质和暗能量统一起来考虑的理论模型的困难。

我们处在一个特殊时期吗?
最早描述暗能量的理论模型是修改广义相对论,引入“宇宙常数”这个量。

“宇宙常数”是爱因斯坦建立静态宇宙模型时提出的一个概念,为的是和引力作用平衡,防止这样的宇宙模型在引力作用下收缩成一个点。

但是,在天文学家观察到宇宙在膨胀后,爱因斯坦放弃了这个概念,因为他觉得这个概念已经不必要了。

现在一些解释暗能量的理论模型重新引入“宇宙常数”概念,可以在很大程度上说明暗能量所导致的效应,但是这并不能解释暗物质。

一种试图把暗物质和暗能量统一起来的努力是恰普雷金气体模型,这种理论模型以一位俄罗斯科学家上世纪30年代的工作为基础,能够先形成类似暗物质的状态随后形成类似暗能量的状态,但它不能说明星系的形成过程。

今年初,哈佛大学的尼玛·哈卡尼-海默等人也提出了一种把暗物质和暗能量统一起来的模型,他们认为暗物质和暗能量是由一种看不见的、无所不在的流体的不同行为导致的,他们把这种流体称为“幽灵冷凝物”。

这个模型和谢勒的模型有类似之处。

谢勒本人承认,尽管他的模型有许多积极特征,它还是有一些缺陷。

例如,它需要特别细微的“微调”才能使模型工作。

谢勒本人还警告说:还需要进行更多的研究来判断该模型的表现是否和其他观察材料相一致。

另外,这个模型也不能回答这样一个“巧合”问题:为什么我们生存在一个计算所得的暗物质和暗能量的密度大体相当的时期?许多科学家怀疑这是否意味着目前的时期有什么特殊之处。

编辑:赵莉
美专家发现暗能量存在直接证据
记者毛磊
新华网华盛顿7月23日电美国匹兹堡大学斯克兰顿博士领导的一个多国科学家小组23日宣布发现暗能量存在的直接证据。

爱因斯坦根据广义相对论最早作出了暗能量的假设。

据推测,三分之二的宇宙可能由暗能量组成。

暗能量会产生与引力相反的排斥力,因而常被用来解释宇宙加速膨胀现象。

此前,其他研究者曾通过观测遥远的超新星发现宇宙处于加速膨胀阶段,间接证明了暗能量的存在。

这个多国科学家小组在研究中借助了美国“威尔金森微波各向异性探测器”卫星的观测数据。

这台卫星主要用来对宇宙微波背景辐射的微小变化进行观测。

作为“大爆炸”的“余烬”,宇宙微波背景辐射大约在“大爆炸”后38万年产生,其中的光子在宇宙中穿行时会经历一系列物理过程,特别是在经过质量较大的星系时,这些光子将遭遇“引力陷阱”。

斯克兰顿等人在新闻公报中介绍说,如果星系主要由普通物质组成,那么光子在落入“引力陷阱”以及从中逃逸出来的过程中,由于“陷阱”深度固定,其能量总体上将不会变化。

但是,如果星系中包含暗能量,情况就会不同。

由于暗能量的排斥力作用,光子在落入“引力陷阱”并逃出来的过程中,“陷阱”会逐渐变浅,能量反而增加。

体现在微波背景辐射观测图上,经过这些星系区域的宇宙微波背景辐射温度将出现细微上升。

斯克兰顿博士等将“威尔金森微波各向异性探测器”以及另一项名叫“斯隆数字天宇测量”的观测计划的结果进行了对比分析,后者旨在测定宇宙中星系的位置和彼此间距离。

对比的结果发现,经过一些大质量星系区域的宇宙微波背景辐射温度确实出现了微升。

科学家认为,这一结果只有用暗能量才能予以解释。

暗能量与宇宙之命运
南方周末2003-12-11 15:23:09
暗能量与宇宙之命运
宇宙未来的命运是大分裂还是大坍塌,这是一个问题。

□本报特约撰稿柯南
不同的w
暗能量登上宇宙学的舞台只不过是近几年的事。

1998年,两个国际科研小组的研究结果表明,宇宙不但在膨胀,而且还在加速膨胀。

天文学家用暗能量来解释这种现象。

这个占了整个宇宙组成的大约70%的暗能量看上去是一个爱因斯坦的宇宙常数的现代版本。

早年,爱因斯坦为了让静态的宇宙不因引力而坍塌,引入了具有反引力性质的“宇宙常数”。

但是后来关于宇宙膨胀的发现让他放弃了这个所谓的“最大的错误”(参见2002年11月21日《南方周末》科学版)。

仅仅知道暗能量能够使宇宙膨胀,这远远不能满足天文学家的好奇心。

暗能量的本质是什么,它会怎样左右宇宙的命运?对于这些问题的答案人们还知之甚少。

天文学家把研究的焦点放在用来表示暗能量特征的参数w上。

如果w等于-1,那么就意味着暗能量反引力的效果是一个常数,不随时间变化。

如果w的值在-1到0之间,那么它的效果就可能随着时间变化。

不同的w值意味着宇宙不同的命运。

如果w比-1还小,会发生什么情况呢?今年3月,英国达特茅斯学院的考德威尔(Robert Caldwell)等人在一篇提交给《物理评论》的论文中讨论了w小于-1的情况。

考德威尔的计算结果是,在这种非常极端的条件下,宇宙最终的命运是所谓的“大分裂”(bigrip)。

在过于强大的暗能量的作用下,先是星系群被撕裂,然后是单个星系、行星系、恒星、行星……直到原子。

当然,即使这种极端情况会发生,它也将开始于非常遥远的220亿年之后。

一把钥匙
考德威尔的结论是否能够成立,需要依靠观测的检验。

根据已有的观测数据,天文学家认为w 是一个大约等于-1的数字,但是并不那么精确。

为了找出宇宙命运的答案,天文学家需要——并且继续需要——求助于解开暗能量问题的一把钥匙:超新星。

过去20多年以来,天文学家使用所谓的Ia型超新星来测量遥远天体的距离。

这种方法也帮助天文学家发现了宇宙的加速膨胀。

但是Ia型超新星并非唾手可得,它太稀少了。

天文学家估计,在一个星系中平均100年才会出现一次Ia型超新星爆发。

按照一般的情况,天文学家需要有中彩票头奖般的运气,才能观测到足够数量的超新星。

否则,由于可用的数据太少,关于宇宙加速膨胀的准确度就要大打折扣。

所幸的是,已经有了一些专门的超新星观测计划,专门为暗能量的研究服务。

ESSENCE是这些计划中的一个。

在过去的一年中,ESSENCE观测到了25颗超新星,这是一个相当可观的数目。

这个计划还要至少进行5年。

弄清宇宙演化的一个关键时刻也是ESSENCE的任务之一。

随着宇宙的膨胀,引力相对逐渐变弱,而推动宇宙加速膨胀的暗能量相对变强。

天文学家推测,在宇宙诞生的40亿年之内,应该有一个转折点。

在这个转折点之前,宇宙是减速膨胀的。

但是这同样是一个困难的工作。

天文学家不但需要找到足够的超新星,而且由于那些宇宙早期的超新星光谱有很大的红移量,以至于已经移到了红外线区域,这些宇宙早期的微弱光线会淹没在地球大气层的红外线“噪声”里。

为了克服这个缺陷,美国劳伦斯—伯克利国家实验室提出了SNAP计划。

如果今年晚些时候国会能够批准SNAP,那么它将于2009年升空。

在它的3年“任期”中,预计每年能够发现超过2000颗超新星,总计发现6000余颗。

与ESSENCE计划相比,SNAP简直是个暴发户。

最终答案
关于暗能量甚至还有相反的推测。

今年2月,斯坦福大学的卡罗希(Renata Kallosh)和林德(Andrei Linde)在《宇宙学和天体粒子物理学》杂志上发表论文。

根据她们的计算,暗能量最终会由产生斥力变为产生引力。

根据现有的超新星数据,她们提出的这种情况至少不会在180亿年之内发生——如果真的发生了,那么宇宙的命运就不是“大分裂”,而是所有物质都会聚集在一起的“大坍塌”了。

在暗物质支配下的宇宙的命运到底是什么?这仍然是一个不确定的问题。

有了ESSENCE、SNAP 的观测数据,以及哈勃太空望远镜(HST)和威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)的帮助,天文学家在不久的将来有可能解开暗能量这个物理学上最大的问题之一。

面对这样一个宇宙尺度的问题,天文学家的优势在于:他们有足够的时间。

“暗能量”特性的新发现
宇宙中最耀眼的天体正在向我们展示自然界最神秘的力量。

天文学家在2月20日的一次记者招待会上宣布,对遥远的超新星进行的观测表明,变幻莫测的“暗能量”具有分离星系以及延伸时空结构的特性。

科学家如今已经发现了7颗最远的超新星。

通过对包括其中6颗在内的超新星进行的观测研究,我们已经初步了解暗能量的一个重要特性是如何随时间流逝而变化的。

利用哈勃太空望远镜,美国马里兰州巴尔的摩太空望远镜科学研究所STScI的AdamRiess和同事,通过对某一类型的爆发恒星进行观测从而就暗能量的特性展开了研究。

由于超新星亮度是已知的,因此它们就如同宇宙中的一个个路标,借助它们研究人员能够计算出那些遥远星系到底有多远;与此同时,超新星的明暗度还为科学家揭示星系的移动速度提供了可能。

这两种信息最终让科学家得以推算宇宙在其137亿年历史中的各个阶段都以何种速度膨胀,以及这种由于暗能量作用而逐渐加快的膨胀过程到底有多快。

总共16颗超新星的观测结果使科学家对“海绵”似的暗能量有了一个新认识——在不同的作用力下暗能量会释放多少能量,以及这种“海绵”属性是否会随时间变化而改变。

这些研究结果对于在几种假设当中确定描述宇宙演化进程以及宇宙源于何处的最佳模型,具有至关重要的作用。

Riess强调,“这些还都是非常初步的研究工作”。

但是他指出他们的观测结果与宇宙论中的恒量——不变的暗能量——是一致的。

Riess说,“即便暗能量发生改变,它的变化速度也不会很快”。

STScI的理论家MarioLivio说,这些观测结果十分重要,但是由于它们比较原始,因此还无法推翻一些有关暗能量的经典学说,例如假设暗能量的强度是变化的,或者某些更为奇异的推论。

他说,“依旧有许多不规则的区域使暗能量成为一个变化的场”。

(来源:《科学时报》2004年2月27日)
科学家认为暗能量占宇宙成分的三分之二
记者毛磊
通过观测遥远的类星体,一个国际科学家小组最近发现了宇宙中存在暗能量的新证据,他们的研究显示,三分之二的宇宙可能由神秘的暗能量组成。

爱因斯坦的广义相对论做出过暗能量的假设。

据推测,暗能量可能构成了宇宙中不可见的部分,能够产生与引力相反的排斥力,这也许可以解释为什么宇宙会出现加速膨胀现象。

此前,其他一些科学家在研究超新星的过程中曾发现宇宙处于加速膨胀阶段,为暗能量的存在提供了直接证据。

有关类星体的新研究在方法上与观测超新星截然不同,但得出的结果却基本一致。

新研究重点在于分析类星体的观测图像如何受到“引力透镜”的影响。

一些质量巨大的天体会导致经过它们附近的光线等发生弯曲,使遥远天体的成像产生扭曲和变形,这一原理与光学透镜类似,因而被称为“引力透镜”效应。

借助设在英国和美国的一些大型射电望远镜,科学家们共对数千个遥远类星体进行了观测,结果
发现平均每700个类星体中就有一个受到“引力透镜”的影响,其射电信号会发生弯曲,最终出现两个以上“虚像”。

新观测到的受“引力透镜”影响的类星体数目异常之多,科学家们认为,这也许只有暗能量才能解释。

他们的进一步分析表明,在假设暗能量占到宇宙成分的三分之二时,理论计算与实际观测的结果最为吻合。

科学家们说,新研究为暗能量的存在提供了“独立”的证据。

他们的研究成果发表于美国《物理评论通讯》杂志上。

类星体是宇宙中一类体积相对较小而能量巨大的天体。

该类天体在一般光学观测中类似恒星,但在分光观测中,它的谱线具有很大的红移,与恒星并不相同,因此被称为类星体。

宇宙新理论:银河系将成为宇宙中的孤魂野鬼
(2004-10-21 17:54:45)
这是一个让人胆战心惊的宇宙新理论:一个如幽灵一样的能量正在使宇宙加速膨胀,在未来的某一刻,这个可怕的能量将把星系、恒星、行星一一撕裂,最终将把所有的一切都撕裂,时间也将终结。

我们将变成宇宙中的孤魂野鬼?
就像是个梦,我们在那里漂游,永远到达不了彼岸。

宇宙也一样,如我们研究所发现的那样,在不断地漂移远去,注定要消失在时间、空间和物理定律的迷幻中。

到那时, 这些遥远的群星只留下一些像孤魂一样暗淡无光的影子,淡入阴曹地府般深不见底的宇宙中,只有那残存的影子记录着他们最后的瞬间。

今天,越来越多的迹象表明,宇宙正处于一种加速的膨胀中,所有遥远的星系都在漂离我们而去,并且漂离的速度越来越快!随着时间推移,最终那些星系都将以高于光速的速度漂离,从那些星系上发出的光子的速度就赶不上宇宙膨胀的速度,光子所携带的信息再也不能穿过宇宙空间,到达我们所处的银河系的家。

实际上,那些距离地球六七十亿光年的星系现在已经不能发送新信息到地球上了。

这些星系的光谱已经红移了太多。

由于宇宙加速膨胀,它们以后再也不能向我们传送任何放射性的信号,所有的星系只留下一个最后的、凝固的影像。

我们将再也不能收集到这些星系此后所散发的任何光和其它辐射,它们在时间和空间里被凝结了。

这情形有点像黑洞,根据黑洞理论,物质掉到那个黑洞里以后,会留下一个最后的影像,这样洞外还可以看到这个影像,但这只是一个永恒不变、没有活力的影像,把它比作人的遗像也不过分。

即便是那些凝固的影像也将最终消失。

因此,亿万年后,宇宙也将真的成为一个空空荡荡的寂寞之地。

也许我们还可以看到一些屈指可数的离银河星系很近的星系,可能只有几千个左右,这些星系不再会屈从于宇宙膨胀理论,由于远离的星系对它们的引力越来越小,直到最后几乎消失,因此这些
在银河星系附近的星系与银河系之间的引力会越来越大,这种引力会使它们和我们的银河系的距离越来越近,并最终和我们所在的银河系相撞……
科学家们估计,距那一天的到来,只有大约不到1000亿年的时间。

这意味着,在500亿到1000亿年后,我们将收集不到任何来源于银河系以外的关于星系的新信息。

假设这些星系里有文明存在的话,我们也将永远没有办法与他们取得联系。

我们,银河系,将成为宇宙中的孤魂野鬼。

想像一下,当所有的星系离我们远去的时候,当我们抬头仰望天空,我们只能看到我们自己的家,那个像“牛奶之路”(银河的英文“Milk Way”直译过来是“牛奶之路”的意思)一样的银河系的时候,当我们再向远处眺望时,只能看到那空荡荡、漆黑一片的世界时,我们是不是也会感觉有点孤单?是不是会感觉自己也像个孤魂野鬼?那些致力于寻找外星文明的科学家们常问这样一句话:Are we alone?(我们孤独吗?)到那时候,是不是整个银河系都要问:Are we alone?
最终决定宇宙命运的力量
是什么样的力量使宇宙在不可遏止地膨胀,所有的星系都义无返顾地远离我们而去?最近的研究表明,这是一种澎湃在宇宙所有角落的神秘暗能量。

宇宙被暗能量所控制,而我们却看不到它,就像你看到树叶簌簌抖动时,你知道是风吹动了它,但你却看不到风一样。

这种神秘的暗能量隐蔽得如此之巧妙,连天文学家长时间来都知之甚少。

它在太阳系内根本不会被察觉,甚至在我们的银河系中也不会产生任何效应。

但是,在星系之间物质更加稀薄的环境下,它的作用会超出引力,使宇宙膨胀加速。

我们通常把星系之间没有物质的真空地带想象成“什么也没有”,但是,如果我们从星际空间中把其中存在的稀少的物质粒子全部移走,然后将所有穿过这个区域的辐射也全部屏蔽出去,再把这个区域彻底冷却到绝对零度,这样得到的空洞空间仍然会有某种残余的能量,这就是暗能量。

所以又有人把暗能量称之为“真空能”,在物理上它表现得更像一个真空。

上世纪二三十年代,就有科学家认为真空不空,只是物理的探测仪器探测不到罢了!
暗能量在宇宙中更像是一种背景,就像是空气对于人类,或者是大海对于鱼儿一样,根本让人感觉不到它的存在,但它确确实实的存在着,且起着非同一般的作用。

暗能量登上天文学的舞台是在1998年,当时两个天文学家研究小组对遥远星系中爆炸的超新星进行观测之后,发现它们的亮度比预期的要暗,而这意味着它们的位置要比预期的位置远,也就是说它们正在远离地球。

天文学家们认为,造成这种现象的原因是:从几十亿年前的某个时刻开始,宇宙的膨胀速度加快了。

在那以前,天文学家一直以为由于引力的作用,星系彼此施压,宇宙膨胀是逐渐变慢的,最终,宇宙的变化过程会逆转,引力会获胜,而一切又重新收缩回来。

但是对超新星的观测结果表明,一股神秘的力量正扮演着引力的反力,导致星系以更快的速度彼此飞离,宇宙终将变成个寒冷、黑暗、没有尽头的世界。

起初,一些研究者质疑这个结果:也许是超新星的光被星云挡住了呢?亦或是超新星本来就比科学家预想的昏暗呢?但是经过仔细验证,这些猜疑全被粉碎,最后剩下惟一的解释就是暗能量。

至此,爱因斯坦、霍金和其他聪明的宇宙学家都错了:宇宙中最有影响的力量不是引力,而是以宇宙常量形式存在的“暗能量”。

它可能提供了宇宙四种基本力——引力、电磁力、强力和弱力——之外的一种新的基本力:排斥力。

但是未知的东西仍然还有很多,现在还不清楚,使宇宙膨胀的暗能量是不是现今物理学意义上所描述的能量?或者它只是引力在非常遥远距离的一种不同的表现?它的性质是什么?它的密度有多大?等等。

暗能量连同此前发现的暗物质,给了我们一幅彻底陌生的宇宙图景。

很多天文学家都为此心烦意乱,他们不得不适应一个没有预计到的、怪异的新宇宙。

人们曾经以为宇宙中除了可见的星系物质外再也空无一物了,然而,大约在60多年前,宇宙学家通过天文观测和理论研究发现,其实在宇宙中,除了普通物质之外还存在着一种神秘的不可见的“暗物质”。

普通物质总是能与光发生相互作用,或者在一定的条件下自身就能发光。

也就是说,即使普通物质藏身于最黑暗的角落,只要人们拿上手电筒照上一照,总能发现它们。

但“暗物质”恰恰相反,它根本不与光发生作用,更不会发光。

因为不发光、与光不发生作用,所以在天文上用光的手段绝对看不到它!不管你是用电磁波、无线电,还是用红外射线、伽马射线、X射线,去照射它都毫无用处。

科学家只能通过其他手段来间接推导暗物质的存在,而关于暗物质的具体组成成分更是让人一头雾水。

暗物质的问题还没有搞清,现在,又冒出来一个更玄妙的暗能量,怎能不让天文学家感到突兀和尴尬!
现在科学家业已证实,在我们的宇宙中,普通发光物质只占宇宙总能量的0.4%,其它的普通物质也只占3.7%,而暗物质占了近23%,另外的73%则是占主导的暗能量。

暗物质和暗能量这两个当今宇宙学上让人最捉摸不透的东西,却占了宇宙总能量和物质的96%,一起支配着宇宙的命运。

这就意味着,宇宙中居然还有96%的成分我们无从知晓!
爱因斯坦甩不掉的错误
从某种意义上讲,暗能量所导致的宇宙排斥力并非是一个全新的想法。

爱因斯坦的广义相对论里已包括了反引力的理论,即所谓的宇宙常数。

不过就连爱因斯坦自己,以及其后的很多天文学家都仅把它看成了一个和真实宇宙无关的数学发明。

在20世纪90年代以前,没有人想过这个常数会在现实中产生巨大影响。

那是1915年,爱因斯坦发表了他的杰作——广义相对论,广义相对论使我们理解了宇宙空间弯曲的含义,彻底革新了我们的宇宙时空观。

1917年,爱因斯坦将广义相对论公式应用到整个宇宙,想看看能否获得对宇宙本质的新认识。

当时,所有人都相信,宇宙是封闭而静止的——既不膨胀,也不收缩。

但爱因斯坦的公式却让他十分惊讶:公式表明宇宙要么在膨胀,要么在收缩,但就是不能保。

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