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也許我們不該將暗能量“雞蛋”都放在一個(gè)籃子里。

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

 暗能量,這個(gè)由我們賦予解釋當(dāng)前宇宙加速膨脹現(xiàn)象的神秘名詞到底隱藏著什么,我們還不得而知。許多理論物理學(xué)家認(rèn)為暗能量的驅(qū)動(dòng)力是某種量子場(chǎng),但這些想法很難與弦理論的見(jiàn)解相協(xié)調(diào)。

 新的研究則提出了一個(gè)激進(jìn)的解決方案:如果作為宇宙要素的暗能量不止一種,又會(huì)如何?這些混合的暗能量或許會(huì)對(duì)宇宙產(chǎn)生奇特的影響,使其在將來(lái)的探測(cè)中有可能被發(fā)現(xiàn)。

 在未知的黑暗中前行

 我們不僅存在于一個(gè)不斷膨脹的宇宙中(大約100年前,埃德溫·哈勃觀測(cè)到大多數(shù)星系存在的紅移現(xiàn)象讓我們知道了這一點(diǎn)),而且這個(gè)宇宙的膨脹正在加速。在過(guò)去大約50億年的時(shí)間里,我們的宇宙膨脹率一直在增加,從而導(dǎo)致宇宙的增長(zhǎng)不斷加速。

圖源: Shutterstock

 坦白地說(shuō),我們不知道是什么造成了這種加速膨脹。這個(gè)問(wèn)題大約在20年前研究遙遠(yuǎn)的超新星時(shí)被人們首次關(guān)注,從那之后,大量獨(dú)立的觀測(cè)結(jié)果(包括但不限于:宇宙微波背景,重子聲學(xué)振蕩,巨洞等)都驗(yàn)證了宇宙加速膨脹這一事實(shí)。

星系際巨洞地圖 圖源:Wiki

 為繞開(kāi)麻煩的現(xiàn)實(shí)解釋,宇宙學(xué)家創(chuàng)造了一個(gè)很酷的綽號(hào):暗能量。即使我們連暗能量是什么都還不知道,這多年來(lái)理論物理學(xué)家們還是做了一些微小的嘗試去解釋它(因?yàn)榘的芰勘仨毦邆淠撤N物理來(lái)源,而解釋我們?cè)谧匀唤缰兴?jiàn)事物的物理來(lái)源是理論物理學(xué)家的工作)。

 最吸引人的想法之一是,存在著某種量子場(chǎng),該場(chǎng)與暗能量有關(guān)并維持著它在宇宙間的存在。量子場(chǎng)非常得勁——它們彌散在每一個(gè)時(shí)空,并負(fù)責(zé)產(chǎn)生構(gòu)成我們?nèi)粘Ｉ畹南嗷プ饔昧土Ｗ印纱?不妨大膽地想象有這樣一個(gè)新的量子場(chǎng),它具備了引發(fā)宇宙加速膨脹相對(duì)應(yīng)的屬性。

 深陷“沼澤”,如何突圍?

 這樣一來(lái),暗能量可能是由彌散在整個(gè)時(shí)空的某種量子場(chǎng)引起的。盡管聽(tīng)起來(lái)確實(shí)簡(jiǎn)單有力,但這個(gè)假設(shè)有一些缺點(diǎn)。要談缺點(diǎn),我們就必須談?wù)勏依碚摗?/p>

版權(quán): ? Robert Spriggs | Shutterstock

 弦理論是一種將自然界的所有力統(tǒng)一在一個(gè)數(shù)學(xué)框架下的嘗試,這是解釋一切的理論。在弦理論中,每個(gè)粒子和每個(gè)力實(shí)際上都是超級(jí)微小的弦振動(dòng)的體現(xiàn)。為了解釋豐富且多樣物理世界,這些“琴弦”僅在三個(gè)維度上振動(dòng)還不夠,它們需要更多空間。為了使弦理論發(fā)揮作用,我們的宇宙需要一些額外的維度,這些維度都很小并且會(huì)自我蜷縮,而弦可以在其中振動(dòng)并產(chǎn)生物理作用。這一切都發(fā)生在最小的尺度上,因此我們還無(wú)法察覺(jué)到它的存在。

 弦理論面臨的最大難題之一,以及為什么說(shuō)它不是完備的自然理論,是我們不知道這些多余的維度是怎樣蜷縮的。這個(gè)過(guò)程可能有多達(dá)102?? 種構(gòu)形,并且每種構(gòu)形都提供了一套新的物理學(xué)方法。然而我們僅存在于一個(gè)具有一套物理學(xué)方法的宇宙中,因此這些構(gòu)形中只有一種是屬于我們的。那又會(huì)是哪一種呢?

 弦理論家已經(jīng)嘗試將“細(xì)麥”從“谷殼”中分離出來(lái),并且至少將維度蜷縮的某些潛在構(gòu)形視為“絕對(duì)不是這個(gè)宇宙”。

 乍看之下,似乎宇宙允許由量子場(chǎng)引起的暗能量與關(guān)于弦理論的其他事物不兼容。用行話(huà)講就是,暗能量似乎陷于“沼澤地”中,維度蜷縮可能的構(gòu)形對(duì)其根本不起作用。

 疑云重重

 解決這個(gè)難題的一種方法是解釋暗能量的存在,并說(shuō)明弦理論是錯(cuò)誤的——畢竟,如果弦理論無(wú)法預(yù)測(cè)包含暗能量的宇宙,那么它可能不適合成為解釋一切的理論。

 又或者,我們沒(méi)有以正確的方式去考慮暗能量?？赡苡胁恢挂粋€(gè)量子場(chǎng)與暗能量有關(guān),而是好幾個(gè)量子場(chǎng)協(xié)同工作。這并不像看起來(lái)那樣瘋狂。想一想系鞋帶的所有復(fù)雜過(guò)程吧,為什么自然界就一定要是簡(jiǎn)單明了的呢?

 如果允許多重量子場(chǎng)產(chǎn)生暗能量,那么弦理論在我們的宇宙中可能還有用,因?yàn)檫@樣一來(lái)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(jù)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(huì)自發(fā)聚集,這說(shuō)明在廣袤宇宙中可以找到暗能量低于平均水平和高于平均水平的區(qū)域?？傮w而言,整個(gè)宇宙的大尺度效應(yīng)仍然相同(即加速膨脹),但是某處暗能量過(guò)多或者稀缺可能會(huì)影響宇宙中最大的結(jié)構(gòu)的發(fā)展和演化,如星系團(tuán)和巨洞。

 現(xiàn)在我們還沒(méi)有足夠高的靈敏度來(lái)測(cè)量這些差異,但是在未來(lái)像NASA的羅曼空間天文臺(tái)這樣的實(shí)驗(yàn)研究可能會(huì)帶給人類(lèi)新的見(jiàn)解,幫助我們確定我們是否真的身處“沼澤”。