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宇宙在膨胀,幕后“推手”什么样

2019-02-14 09:02来源:科技日报

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  暗能量的身份,一直是宇宙中最大的谜团之一,吸引科学家做了无数理论推测和研究。比如,科学家近日在《自然·天文》发表论文称,利用钱德拉X射线天文台和 XMM-牛顿天文台的数据进行的研究表明,暗能量很可能随着宇宙时间的推移而增长。那么,这位宇宙中“大主角”的真实面目到底是什么?它为何这么重要?

  惊人发现:宇宙加速膨胀是事实

  1998年,两个独立的天文观测小组利用宇宙中的Ia型超新星作为标准烛光,发现我们的宇宙正在加速膨胀。这是20世纪天文学最重要的发现之一。

  20世纪初爱因斯坦建立起了一套基础理论来描述我们生活的这个世界所遵循的万有引力行为,这就是广义相对论。在这个理论中,宇宙演化由引力场方程来描述。如果已知宇宙中的物质种类,掌握一定的天文观测结果,利用爱因斯坦引力场方程,便能求解出宇宙当前以及未来的演化状态。不幸的是,所求解出来的结果并不代表一个现阶段能加速膨胀的宇宙,这对我们所能掌握的事实构成了巨大挑战。

  为了解释宇宙的加速膨胀现象,我们需要宇宙中有一种成分能够提供一种可以视为“斥力”的相互作用。为了理解这一点,可以设想我们在地面向天空中抛出一颗石块,由于地球对石块的吸引作用,石块的速度会越来越小,最终变为零。通常的爱因斯坦理论给出的宇宙命运类似这种情况。现在如果我们给石块装上一个火箭发动机,让它在喷出的气体的排斥作用下一飞冲天。那么在脱离地面后,石块的速度便会越来越大并最终脱离地球引力的束缚。同样的,为了使得宇宙能够加速膨胀,我们也需要宇宙中有一种成分能够发挥火箭发动机的作用,物理学家们把这种成分称为暗能量。

  因此,找到一种合适的暗能量候选者便成为了一个十分重要的问题。一种最简单的设想是在爱因斯坦引力场方程中增加一个为常数的项,称为宇宙学常数,它的意义在于告诉我们真空实际上并不是真的“空”的,而是有能量的,而真空的能量便可以成为驱动宇宙加速膨胀的动力。

  虽然宇宙学常数的想法足够简单并且与现今的天文观测符合得很好,但也存在一些致命的问题。量子场论能对宇宙中的真空能量进行估算。但不幸的是,估算结果比我们的实际观测,即宇宙学常数所对应的真空能量值大120个数量级!因此物理学家们将之称为“物理学史上最糟糕的理论预言”。此外,在当今宇宙中,暗能量约占宇宙总能量的70%,为了得到这一比例,在宇宙极早期暗能量所占的比例要出奇地小,而计算结果表明只要当时的暗能量比例稍微偏离这一结果,那么就会大幅度偏离我们当今对宇宙组分的观测结果了。这意味着对宇宙开始时的状态要进行极其精密的微调,从而让我们对宇宙学常数的解释产生怀疑。

  面对挑战:寻找压强为负的物质

  为了更好地解释宇宙加速膨胀现象,人们需要跳出标准的爱因斯坦场方程与物质理论的框架。

  一种有效的方案是,在宇宙中引入一种新的物质,这种物质可以随时间缓慢变化,并且在宇宙中的表现类似宇宙学常数,从而可以解释我们宇宙的加速膨胀现象。宇宙学家用这种物质的压强与能量的比值来刻画这一物质状态,这就是物态方程参数。而为了实现宇宙加速膨胀,这个物态方程参数要小于-1/3。考虑到通常物质的能量都为正数,这意味着该物质的压强需要为负数,从而与我们常见的物质大不相同,而我们前面提到的宇宙学常数的这一比值正好等于-1。

  物理学家们提出了多种多样的暗能量物质模型,而按照物态方程参数与-1的比较关系,这些模型又可以大致被分成三大类。第一类叫做精质,英文名称是Quintessence,对应的物态方程参数大于-1。有趣的是这一名称的含义来自于希腊语的“第五元素”。在古希腊哲学中人们认为世界由四种元素构成——气、水、火、土。而在今天科学家们发现的基本粒子可以分为夸克、轻子和中间玻色子,如果我们再加上暗物质作为第四种元素的话,那么这种暗能量候选者便成为了第五种元素,Quintessence因此得名。第二种称为幽灵,英文名称是Phantom,该物质的压强与能量的比值小于-1。在日常生活中,幽灵指的是一些没有物质实体的东西,而为了实现这种暗能量模型的设想,通俗说来我们需要这种物质的动能为负值,而这和我们平时看得见摸得着的物质还真是大不相同,因此它被冠以“幽灵”的称号也就不奇怪了。而在第三类暗能量模型当中,宇宙学家将“精质”与“幽灵”这两个理论设想结合在了一起,并各取一个字从而提出名为“精灵”(Quintom)的暗能量物质模型。在这种模型中,压强与能量的比值可以在宇宙演化中自由穿越-1的边界,因此可以给出更为丰富的宇宙演化行为。

  另一种方案是修改爱因斯坦的引力理论。此外,人们还尝试跳出广义相对论的框架,比如引入更高的时空维度,将我们的三维空间与一维时间镶嵌在一个更高维度的时空上,而引力也变成了一种更高维度的相互作用,在小的距离范围内,它与普通的引力无异,在更大的距离范围上,则会与标准的引力发生偏离,从而解释宇宙的加速膨胀现象。

  从上面两种角度出发,人们提出了众多理论模型,每个理论所能自由调整的空间又不尽相同,这给实验检验上带来了巨大困难。人们仍在不断进行尝试。

  未来展望:等待更精确的观测

  为了揭开宇宙加速膨胀之谜,人们提出了形形色色的方案,但还没有一个完美到让人信服的方案。

  找到完美的解决方案,一方面,我们需要更精确的宇宙学观测。在传统的天文学观测中,对天体发出的不同种类光的观测往往是我们获得重要信息的途径。自从成功探测到引力波以来,人们已经进入了多信使天文学时代。与将Ia型超新星作为“光源”类似,人们提出了将引力波源作为“汽笛”来探测宇宙膨胀现象的想法,从而提供与Ia型超新星及其它观测相独立的实验检验途径。此外,对其它可能存在的偏离标准广义相对论现象的观测,比如牛顿引力常数是否是一个真正的常数,也有助于我们从其它角度来认识我们手头上能够解释宇宙加速膨胀现象的理论。

  另一方面,理论也需要得到更充分的发展。人们既可以思考并提出更新颖巧妙的理论来解释天文观测现象,也可以在现有理论的基础上致力于有效理论的发展,从而更好地认识暗能量以及其它与爱因斯坦理论所偏离的现象。一个多世纪以前,物理学上空的一朵乌云——以太漂移学说与激光干涉实验之间的矛盾催生出了爱因斯坦的相对论,现在我们有了暗能量这朵巨大的乌云,这是否意味着我们处在理论和认知的巨大飞跃的前夕呢?(蔡一夫 李春龙)

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