暗能量只有一種嗎?
2021年01月06日09:53

  來源:牧夫天文

  也許我們不該將暗能量“雞蛋”都放在一個籃子裡。

Konstantinos Migkas與其合作者在最近的一項研究中估算了宇宙在不同方向上的膨脹率。版權:©波恩大學/ K.Migkas等
Konstantinos Migkas與其合作者在最近的一項研究中估算了宇宙在不同方向上的膨脹率。版權:©波恩大學/ K.Migkas等

  暗能量,這個由我們賦予解釋當前宇宙加速膨脹現象的神秘名詞到底隱藏著什麼,我們還不得而知。許多理論物理學家認為暗能量的驅動力是某種量子場,但這些想法很難與弦理論的見解相協調。

  新的研究則提出了一個激進的解決方案:如果作為宇宙要素的暗能量不止一種,又會如何?這些混合的暗能量或許會對宇宙產生奇特的影響,使其在將來的探測中有可能被發現。

  在未知的黑暗中前行

  我們不僅存在於一個不斷膨脹的宇宙中(大約100年前,埃德溫·哈勃觀測到大多數星系存在的紅移現象讓我們知道了這一點),而且這個宇宙的膨脹正在加速。在過去大約50億年的時間里,我們的宇宙膨脹率一直在增加,從而導致宇宙的增長不斷加速。

圖源: Shutterstock
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  坦白地說,我們不知道是什麼造成了這種加速膨脹。這個問題大約在20年前研究遙遠的超新星時被人們首次關注,從那之後,大量獨立的觀測結果(包括但不限於:宇宙微波背景,重子聲學振盪,巨洞等)都驗證了宇宙加速膨脹這一事實。

星系際巨洞地圖 圖源:Wiki
星系際巨洞地圖 圖源:Wiki

  為繞開麻煩的現實解釋,宇宙學家創造了一個很酷的綽號:暗能量。即使我們連暗能量是什麼都還不知道,這多年來理論物理學家們還是做了一些微小的嚐試去解釋它(因為暗能量必須具備某種物理來源,而解釋我們在自然界中所見事物的物理來源是理論物理學家的工作)。

  最吸引人的想法之一是,存在著某種量子場,該場與暗能量有關並維持著它在宇宙間的存在。量子場非常得勁——它們瀰散在每一個時空,併負責產生構成我們日常生活的相互作用力和粒子——由此,不妨大膽地想像有這樣一個新的量子場,它具備了引發宇宙加速膨脹相對應的屬性。

  深陷“沼澤”,如何突圍?

  這樣一來,暗能量可能是由瀰散在整個時空的某種量子場引起的。儘管聽起來確實簡單有力,但這個假設有一些缺點。要談缺點,我們就必須談談弦理論。

版權: © Robert Spriggs | Shutterstock
版權: © Robert Spriggs | Shutterstock

  弦理論是一種將自然界的所有力統一在一個數學框架下的嚐試,這是解釋一切的理論。在弦理論中,每個粒子和每個力實際上都是超級微小的弦振動的體現。為瞭解釋豐富且多樣物理世界,這些“琴弦”僅在三個維度上振動還不夠,它們需要更多空間。為了使弦理論發揮作用,我們的宇宙需要一些額外的維度,這些維度都很小並且會自我蜷縮,而弦可以在其中振動並產生物理作用。這一切都發生在最小的尺度上,因此我們還無法察覺到它的存在。

  弦理論面臨的最大難題之一,以及為什麼說它不是完備的自然理論,是我們不知道這些多餘的維度是怎樣蜷縮的。這個過程可能有多達10²⁰⁰ 種構形,並且每種構形都提供了一套新的物理學方法。然而我們僅存在於一個具有一套物理學方法的宇宙中,因此這些構形中只有一種是屬於我們的。那又會是哪一種呢?

  弦理論家已經嚐試將“細麥”從“穀殼”中分離出來,並且至少將維度蜷縮的某些潛在構形視為“絕對不是這個宇宙”。

  乍看之下,似乎宇宙允許由量子場引起的暗能量與關於弦理論的其他事物不兼容。用行話講就是,暗能量似乎陷於“沼澤地”中,維度蜷縮可能的構形對其根本不起作用。

  疑雲重重

  解決這個難題的一種方法是解釋暗能量的存在,並說明弦理論是錯誤的——畢竟,如果弦理論無法預測包含暗能量的宇宙,那麼它可能不適合成為解釋一切的理論。

  又或者,我們沒有以正確的方式去考慮暗能量。可能有不止一個量子場與暗能量有關,而是好幾個量子場協同工作。這並不像看起來那樣瘋狂。想一想繫鞋帶的所有複雜過程吧,為什麼自然界就一定要是簡單明了的呢?

  如果允許多重量子場產生暗能量,那麼弦理論在我們的宇宙中可能還有用,因為這樣一來這些模型就有可能擺脫陷入“沼澤”的境地。但這就意味著我們必須找到證據證明有多種因素影響著暗能量。

  在這些具有多種暗能量的模型中,暗能量可能會自發聚集,這說明在廣袤宇宙中可以找到暗能量低於平均水平和高於平均水平的區域。總體而言,整個宇宙的大尺度效應仍然相同(即加速膨脹),但是某處暗能量過多或者稀缺可能會影響宇宙中最大的結構的發展和演化,如星系團和巨洞。

  現在我們還沒有足夠高的靈敏度來測量這些差異,但是在未來像NASA的羅曼空間天文台這樣的實驗研究可能會帶給人類新的見解,幫助我們確定我們是否真的身處“沼澤”。

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