流体模型演奏宇宙“命运交响曲”

宇宙时空可能是非常粘性的场所，但是，时空粘性是一个有争议的话题，数十年来，如何协调以热力学定律为基础定义的粘度和以爱因斯坦广义相对论为基础定义的同一个概念？宇宙学家遇到了很大的困难。范德比尔特大学的一支科学团队构建了全新的数学方程式，似乎很好地协调了两种科学定义之间长期存在的分歧。

新的数学方程式对人们理解所谓的宇宙终极命运很有帮助，科学团队倾向于更为激进的宇宙学未来图景，新的方程式支持了被宇宙学家称之为的“大撕裂”学说，为物理学家理解暗能量的基本性质带来了希望。数学助理教授马塞洛·迪斯康兹和物理学教授托马斯·凯普哈特以及罗伯特·舍雷尔组成了合作团队，他们建构了简单、优雅的方程式，完整的数学方程式符合应用物理学的规律。宇宙学家对粘度的定义不同于流体力学家，宇宙学的粘度是体积的概念，粘度大小测定了时空膨胀和收缩的“流体抵抗力”。人们的日常生活很少涉及体积粘度的概念，大多数流体既没有大的压缩性，也没有大的膨胀性。

科学团队的研究对象是所谓的相对论流体，天文物体学的相对论流体包括了超新星（一种爆炸的恒星）、中子星（一种压缩到行星尺寸的恒星）。科学家成功地开发了“理想流体”的物理模型，理想流体没有粘度、以接近光速流动，然而，理想流体与现实流体不同，自然界几乎所有的流体具有粘性。科学家经过几十年的努力，没有开发出一种物理模型，它既有普遍接受的粘性，也有相对论的流速。

过去的模型预测了相对论流体加速到光速的特定比例时产生的情形，甚至预测了相对论流体以高于光速流动时所需的特定条件，然而，低于光速和高于光速的两类预测产生了问题。过去的物理模型存在很大的问题，实验证明，自然界不存在超光速运动的物体。明显错误的模型激发了数学物理学家重新建构相对论流体动力学方程式，科学团队在方程式参数的选择中避免了超光速运动的可能，迪斯康兹将新的数学方程式建构在上个世纪50年代法国数学家安德烈·里茨勒罗维兹建构的数学方程基础上。

迪斯康兹建构了新的数学方程式，然后应用到在宇宙学领域，新的数学方程可能扩大宇宙学理论的视野，在宇宙学研究中产生奇妙的“化学变化”，比如：他们对神秘的暗能量性质获得了新的认识。上个世纪90年代，宇宙学的一项发现震撼了科学界，天文学的精确测量表明，宇宙产生了不断加速的膨胀，为了解释未曾预测的宇宙加速膨胀现象，物理学家假设了一种发生排斥作用的能量，这种“看不见”的能量被科学家命名为“暗能量”。

人们知之甚少的暗能量均匀地分散在宇宙空间，暗能量密度不随空间的膨胀而减少，它的排斥效应变得越来越强，我们的宇宙呈不断加速膨胀的状态，从地球人的视角看上去，除本星系团以外的一切天体在离开地球的方向“飞奔而去”，地球和地球人的星际命运走向孤独，争夺地球资源、开发太阳系能源成为人类的必然选择。

到目前为止，大多数暗能量理论没有考虑宇宙空间的粘度因素，宇宙的最终命运是另一个值得关注的问题，自从宇宙天体加速膨胀现象的发现，宇宙学家设想了关乎宇宙未来的戏剧性场景，宇宙的终极命运如何？宇宙的一种终极图景被称之为“大冻结”，大约在百万亿年之后，宇宙扩张到“空空荡荡”的程度，气体云 和尘埃物质变得极其稀薄，“稀稀拉拉”的气体云不能孕育恒星，新的恒星不能形成，原有的恒星逐渐地熄灭，宇宙回到“漆黑一团”的极早期年代，仅留下无数幽灵般的黑洞在宇宙大地徘徊，黑洞免不了消耗殆尽的命运。

另一种激进理论被称之为“大撕裂”，“幽灵”作用的暗能量在时间流逝中不断加强，宇宙在暗能量的排斥作用下加速时空的膨胀，天体在大约220亿年之后开始“土崩瓦解”，单个原子被拆解成自由自在的基本粒子和能量辐射。暗能量剥离物体的过程好像人们一片一片地剥开洋葱，既有日月星辰一般的大物体，也有分子和原子一类的小物体。

宇宙“终极命运”场景的一项关键参数是暗能量压力和密度的比值，它被称为状态方程式参数，如果参数值低于1，那么宇宙将在大撕裂过程中无限分离。宇宙学家将状态方程式参数称为“幽灵障碍”，在以前带粘度的宇宙模型，宇宙不会演化到超过“幽灵参数”的程度，而在迪斯康兹——凯普哈特——舍雷尔的方程式中，“幽灵障碍”不仅不存在，而且方程式给出了自然而然的方法，允许状态方程式参数出现低于1的情形。

过去带粘度的宇宙模型不可能出现“大撕裂”的宇宙图景，而在科学团队新的宇宙模型中，粘度属性实际上驱动了宇宙朝极端分离状态的演变。相对论粘度理论的前景广阔，但是，理论分析的加深对数学工具的可行性提出了更高要求，他们将会使用强大的计算机，以大数据分析复杂的方程式，在数量分析的基础上作出预测，然后将预测的结论和物理实验和天体观测的结果进行比较。

（编译：2015-7-6）