艺术家对宇宙中第一批恒星形成的那个时代的想法。 由于它们的光和合并，它们将发出电磁辐射和引力辐射。 但是，物质转化为能量能够产生反重力吗？关于我们对宇宙的了解存在困惑，对于任何人来说，答案仍然未知。 暗物质，暗能量，宇宙膨胀-所有这些想法都是不完整的，我们不知道是哪种类型的粒子或场对此负责。 尽管大多数专业人员认为这是可能的，但其中一个或多个难题不太可能具有我们都不曾期望的非标准解决方案。
在“问问Ethan”专栏的历史上，我第一次收到
诺贝尔奖获得者 约翰·克伦威尔·马瑟 （
John Cromwell Mather）的
问题， 约翰·克伦威尔·马瑟 （
John Cromwell Mather ）想知道将质量转化为能量的恒星是否可以归因于暗能量的影响：
在恒星中发生核反应时，或者当质量聚集在黑洞中时，或者当其转变为引力波时，消失的质量在将其转化为光和中微子的过程中所施加的重力会发生什么变化？ 换句话说，引力波，电磁波和中微子是否是与先前存在的质量完全匹配的引力源？
很棒的主意。 让我们找出原因。
两个中子星合并的艺术插图。 波浪所覆盖的时空网格表示碰撞过程中发出的引力波，而射线是在引力波后几秒钟内发射的伽马射线射流（天文学家以伽马射线爆发的形式检测到它们）。 在这种情况下，物质变成两种辐射。在爱因斯坦广义相对论中，可以用几种方法构建给出精确解的宇宙模型。 我们可以准确地描述一个绝对空的宇宙中的时空。 如果将单个质量放置在一个空的宇宙中，任务将变得更加复杂，但是解决方案仍然可以写下来。 而且，如果将第二个质量放置在这样的宇宙中，任务将无法解决。 我们只能进行估算，并尝试得出数值解。 时空这种令人烦恼的复杂时空特性难以准确描述，这使我们在理论研究中使用了如此庞大的计算机功能和精力，并花费大量时间对
LIGO记录的黑洞与中子星的融合进行正确建模。
引力的大小不仅取决于质量的位置和大小，还取决于这些质量如何相对移动以及如何在随时间变化的重力场中加速。 在广义相对论中，不能精确确定包含一个以上质量的系统。我们可以找到确切解决方案的少数情况之一，是描述了一个在各处和各个方向上都充满等量“物质”的宇宙。 什么样的“物质”都没有关系。 它可以是一组粒子，液体，辐射，空间本身的属性，具有所需属性的场。 它可以是不同事物的混合物，例如正常物质，反物质，中微子，辐射，甚至是神秘的暗物质和暗能量。
如果这描述了您的宇宙，并且您知道所有这些物质的比例是多少，则只需测量宇宙膨胀的速度。 之后，您将立即了解它在整个生命中的扩展方式，并将在将来扩展。 如果您知道宇宙是什么组成的，以及宇宙如何发展，那么您将了解整个宇宙的命运。
宇宙发展的预期变体（前三名）对应于一个宇宙，其中物质和能量与初始膨胀率作斗争。 在我们观察到的宇宙中，宇宙加速与某种形式的暗能量有关，目前尚无法解释。 所有这些宇宙都由弗里德曼方程式控制 。根据我们今天所观察到的宇宙进行这些计算，我们得到它包括：
- 68％暗能量
- 27％的暗物质
- 正常物质的4.9％
- 0.1％中微子
- 辐射0.01％
以及其他微不足道的其他分量：曲率，反物质，宇宙弦以及您可以想象的其他所有事物。 所列成分的总不确定度不超过2％。 我们还了解了宇宙的命运-它将永远扩展-它的年龄：距大爆炸有138亿年。 这是现代宇宙学的非凡成就。
宇宙历史的插图时间表。 如果暗能量的数量小到足以让第一批恒星形成，那么生命中必不可少的成分在宇宙中的出现几乎是不可避免的。 我们的存在证实了这一事实。但是所有这些计算都是在我们的宇宙模型的基础上进行的，近似于物质在各个方向上在整个宇宙中的均匀分布。 您可能已经注意到，在真实的宇宙中，一切都崩溃了。 有行星，恒星，气体和尘埃团，等离子，星系，星系团以及连接它们的
巨大宇宙线 。 有巨大的宇宙
空隙 ，有时会延伸到数十亿光年。 数学上完全统一的宇宙称为同质，而我们的宇宙令人惊讶地是非均质的。 我们根据所得出的结论得出的所有想法都是不正确的。
模拟（红色）和星系观测（蓝色/洋红色）在大规模上显示了相同的星团模式。 在小范围内，宇宙不是同质的。但是，在最大规模上，宇宙是同质的。 如果您查看小尺度，恒星，星系或银河星团的大小，则会发现密度比平均值高得多或低得多的区域。 但是，如果您研究100亿光年规模的尺度，那么宇宙在所有地方的平均似乎都差不多。 在最大尺度上，宇宙的均匀性超过99％。
幸运的是，我们可以通过计算暴露于大规模均匀性的非均匀干扰的结果，以数字方式评估我们的假设的好坏。 我本人在2005年进行了
这样的计算 ，发现不均匀性对膨胀率的贡献不超过0.1％，并且表现得不像暗物质。
重力势能W（带长划线的线）和动能K（实线）对宇宙总能量密度的分数贡献，是宇宙过去和未来扩展的函数，这里有物质但没有暗能量。 短虚线表示不均匀因素的贡献之和。 虚线表示从线性扰动理论获得的结果。但是，这些计算还有另一种可能性-某些类型的能量会随时间从一种形式转换为另一种形式。 特别要感谢：
- 在恒星内部燃烧核燃料，
- 云的引力坍塌变成密集的物体，
- 中子星和黑洞的融合，
- 许多引力系统的螺旋方法
物质或质量可以转化为辐射或能量。 换句话说，可以改变重力在宇宙中的行为，并随着时间影响重力的膨胀（或压缩）。
尽管我们已经多次观察到宇宙中黑洞的融合，但我们知道它们中的黑洞甚至更多。 LISA将使我们能够预测，有时甚至在几年内，何时将发生超质量黑洞的确切合并。当两个黑洞合并在一起时，质量的相当大的一部分可以转化为能量：肉高达5％。 在LIGO发现的两个黑洞的第一次合并中，36个太阳质量的BH和29个太阳质量的BH合并，形成一个质量为62个太阳质量的BH。 3个太阳质量发生了什么？ 根据爱因斯坦的E = mc
2 ，它们以引力波的形式转化为能量。
因此，这个问题归结为以下几点：从质量到辐射的跃迁如何影响宇宙的膨胀？ 尼克·高卡维
（ Nick Gorkavy）和亚历山大·瓦西尔科夫（Alexander Vasilkov）在
最近的工作中声称，它可以产生排斥力和反重力。
计算机模拟两个黑洞的合并，产生引力波。 当质量变成辐射时，排斥力可能吗？不幸的是，这种说法是基于似乎只是反重力的。 当我们有一定量的质量时，我们会受到一定的引力吸引：在爱因斯坦理论和牛顿引力理论中都是如此。 如果您将质量转变为能量并以光速向外辐射，所有无质量的辐射都以该速度运动，那么当该辐射飞过我们时，我们将发现对质量的吸引力突然减弱。
时空的曲率会发生变化，并且在我们第一次遇到一定程度的引力吸引的地方，我们将开始减少5％的引力。 从数学上讲，这等效于系统上出现排斥力，反重力。 但实际上，由于质量转换为能量，您会遇到这种吸引力降低的情况，并且辐射的重力作用也不同（尤其是当辐射通过您时）。 [针对以上工作]已经对此进行了
非常清晰的描述 。
引力波穿过时，任何物体或形式，无论是物理的还是非物理的，都会变形。 每次，当一个大质量以加速的方式移动经过一段弯曲的时空时，引力波就成为这种移动的必然结果。 但是，我们可以计算出这种辐射对空间的影响，并且不会导致排斥或加速膨胀。我们可以走得更远，计算出这种转变如何影响整个宇宙！ 我们可以从数字上评估引力波对宇宙能量密度的贡献，以及宇宙
能量的哪一部分是各种辐射 。 辐射像质量一样被量化，因此随着宇宙体积的增加（如立方体中的距离），粒子密度会降低（与距离的立方成反比）。 但是，与质量不同，辐射具有波长，并且随着空间的扩大，该长度增加，并且频率与距离成反比。 辐射在重力上的重要性不如物质快。
我们还需要获得正确的状态方程。 物质和辐射随时间变化，但是随着宇宙的膨胀，暗能量在整个空间中保持恒定的密度。 随着时间的推移，我们看到问题只会越来越严重。 暗能量越来越占主导地位，物质和辐射变得越来越不重要。
物质和辐射携带着吸引力，使宇宙减速，但是当宇宙膨胀时，这些现象都不能在能量密度中保持主导地位。
蓝色阴影区域-过去和将来暗能量密度的不确定性。 数据表明这是一个真正的宇宙常数，而我们没有放弃其他可能性。 不幸的是，物质转化为能量无法发挥暗能量的作用。 以前像物质一样的行为现在像辐射一样。如果我们想创建一个具有加速膨胀的宇宙，那么，根据我们的最佳知识判断，我们将需要一种不同于已知形式的新能量。 我们称这种形式为暗能量，尽管我们不能100％地确定其性质。
但是，尽管我们在这一领域无知，但我们可以非常清楚地确定什么不是暗能量。 这些不是燃烧燃料的星星。 发射引力波不是问题； 这些不是引力坍塌的结果； 它不是螺旋式合并或和解的结果。 某些新的引力定律最终可能会取代爱因斯坦定律，但在广义相对论的背景下，不可能借助著名的物理学来解释我们当前的观测结果。 我们必须发现一些真正新的东西。