研究人员利用粗
尼森参数来研究宇宙的膨胀，将热力学与宇宙学联系起来。他们的发现表明，宇宙的持续冷却与其绝热膨胀有关，而宇宙常数的潜在可变性对传统模型提出了挑战。来源:SciTechDaily.com
从减速膨胀状态(在辐射和物质主导的时代)到加速膨胀状态(在暗能量主导的时代)的转变类似于热力学相变物理结果来自圣保罗州立大学的科学家
宇宙正在膨胀的想法可以追溯到近一个世纪以前。1927年，比利时宇宙学家Georges lema
tre(1894-1966)首次提出，两年后由美国天文学家埃德温·哈勃(1889-1953)通过观测证实。哈勃观察到，从天体接收到的光的电磁波谱中的红移与它们与地球的距离成正比，这意味着离地球越远的天体远离地球的速度越快，宇宙一定在膨胀。
加速膨胀的发现
1998年，超新星宇宙学项目和高z超新星搜索小组对遥远超新星的观测表明，宇宙在膨胀时正在加速，而不是像之前认为的那样，由于引力而减速，这一发现给这个模型增加了一个令人惊讶的新成分。这一发现导致了暗能量的概念，暗能量被认为占目前可观测宇宙中所有能量的68%以上，而暗物质和普通物质分别占27%和5%左右。
宇宙时代的表示- (a)辐射，(b)物质，(c)暗能量-具有各自的状态方程ω=Γeff的值，其中Γeff是有效的grisen参数。随着暗能量占据主导地位，Γeff改变了符号，模拟了凝聚态物理中的相变。来源:《物理学结果》
热力学在宇宙学中的应用
巴西里约克拉罗市
圣保罗州立大学(UNESP)物理系教授Mariano de Souza说:“对红移的测量表明，加速膨胀是绝热的(没有热传递)和各向异性的(在不同方向测量时大小不同)。”“热力学的基本概念使我们能够推断出，由于高压效应(压力引起的热变化)，绝热膨胀总是伴随着冷却，这是由
尼森比(Γ， gamma)量化的。”
1908年，德国物理学家爱德华·奥古斯特·格瑞森
(1877-1949)提出了有效格瑞森参数Γeff的数学表达式。有效格瑞森参数是地球物理学中的一个重要量，经常出现在描述材料热弹性行为的方程中。它结合了三种物理性质:膨胀系数、比热和等温压缩率。大约一个世纪之后，在2003年，朱立军和他的合作者证明了在量子临界点附近，由于熵的积累，称为gr
neisen比的gr
neisen比的特定部分(定义为热膨胀与比热的比率)显着增加。2010年，Souza和两位德国合作者证明，在有限温度临界点附近也会发生同样的事情。
利用粗尼森参数的研究进展
现在，Souza和UNESP的其他研究人员在《物理学结果》杂志上发表的一篇文章中，使用了大
尼森参数来描述宇宙膨胀的复杂方面，这篇文章是第一作者Lucas Squillante博士研究的一部分，目前是Souza指导下的博士后。
“与宇宙膨胀相关的动力学通常被建模为完美流体，其状态方程为ω=p/ρ，其中ω [ω]是状态参数方程，p是压力，ρ [rho]是能量密度。虽然ω被广泛使用，但它的物理意义还没有得到适当的讨论。它被认为仅仅是宇宙每个时代的一个常数。我们研究的重要结果之一是通过mie - grisen状态方程确定ω与有效grisen参数，”Souza说。mie - grisen状态方程与压力、体积和温度有关，通常用于确定冲击压缩固体中的压力。
热力学和宇宙的各向异性膨胀
作者通过使用grgr neisen参数表明，宇宙的持续冷却与压力和温度相关的气压效应有关，并且由于宇宙的绝热膨胀而发生。在此基础上，他们提出，在暗能量占主导的时代(当前的宇宙时代)，粗
尼森参数是时间依赖的。
这项研究的一个有趣的方面是它使用热力学和固体物理概念，如应力和应变来描述宇宙的各向异性膨胀。“我们表明，在爱因斯坦著名的场方程中，大
尼森参数自然地体现在能量-动量应力张量中，为研究与宇宙膨胀相关的各向异性效应开辟了一条新途径。这些并不排除大撕裂的可能性，”Souza说。
大撕裂假说是2003年在《物理评论快报》上发表的一篇文章中首次提出的，该假说认为，如果暗能量的数量足以加速宇宙的膨胀，使其超过临界速度，这可能会撕裂时空的“结构”，并撕裂宇宙。
暗能量及其理论意义
“同样从粗
尼森参数的角度来看，我们推测从减速膨胀状态(在辐射和物质主导的时代)到加速膨胀状态(在暗能量主导的时代)的转变类似于热力学相变。这是因为当膨胀从减速变为加速时，Γeff会改变符号。符号的变化类似于凝聚态物理中相变的典型特征，”Souza说。
暗能量通常与宇宙常数Λ [lambda]联系在一起，该常数最初是由爱因斯坦在1917年引入的，作为保持宇宙静态平衡所需的排斥力。根据一些说法，爱因斯坦后来拒绝了这个概念。当宇宙的膨胀被发现是在加速而不是减速时，它被恢复了。被称为Λ-CMD (λ -冷暗物质)的霸权模型给出了宇宙常数的一个固定值。也就是说，它假设随着宇宙膨胀，暗能量的密度保持不变。然而，其他模型假设暗能量的密度，因此Λ，随着时间的推移而变化。
给lambda赋一个固定的值也意味着给omega赋一个固定的值，但是认识到ω是有效的grisen参数，使我们能够推断出ω在宇宙在暗能量主导的时代膨胀时的时间依赖性。这直接涉及到Λ或万有引力常数的时间依赖性，”Souza说。
这项研究可能会带来重要的发展，因为它提供了从热力学和凝聚态物理的角度对宇宙膨胀的新解释的一瞥。
参考文献:《利用大
奈森参数探索宇宙的膨胀》，作者:Lucas Squillante、Gabriel O. Gomes、Isys F. Mello、Guilherme Nogueira、Antonio C. Seridonio、Roberto E. Lagos-Monaco和Mariano de Souza, 2024年1月17日，《物理学成果》。DOI: 10.1016 / j.rinp.2024.107344
除了Souza和Squillante，该文章的其他共同作者是Antonio Seridonio (UNESP Ilha Solteira)， Roberto Lagos-Monaco (UNESP Rio Claro)， Gabriel Gomes(圣保罗大学天文学，地球物理和大气科学研究所，iagg - usp)， Guilherme Nogueira (UNESP Rio Claro)和博士候选人Isys Mello，由Souza指导。
该研究由FAPESP通过两个项目(11/22050-4和18/09413-0)提供支持。
