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宇宙常數(shù)是目前物理學(xué)中最令人困擾的問(wèn)題
如果我們?nèi)〕鲇钪嬷兴械男行牵阈呛托窍担蜁?huì)獲得純凈的真空。但這是錯(cuò)誤的!取而代之的是,您會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)動(dòng)態(tài)時(shí)間和空間交織的時(shí)間,其中的所有粒子都仿佛閃爍著生命,生生滅滅不息。
量子力學(xué)是描述無(wú)窮小的世界的理論,不允許絕對(duì)的“無(wú)”。在時(shí)間和空間的任何時(shí)刻,能量永遠(yuǎn)不可能完美地等于零,總會(huì)有一些回旋的余地。在實(shí)驗(yàn)中,甚至?xí)霈F(xiàn)所謂“虛擬”粒子,特別是一對(duì)由粒子和其反粒子組成的粒子,它們相互泯滅,并且很快就消失了。盡管看起來(lái)很奇怪,但實(shí)驗(yàn)已經(jīng)觀察到虛擬粒子的真實(shí)效果。當(dāng)粒子加速器首次測(cè)量Z玻色子的質(zhì)量時(shí),它與純粹計(jì)算出來(lái)的數(shù)學(xué)質(zhì)量略有不同,因?yàn)樗袝r(shí)會(huì)變成虛擬的夸克,這是證明虛擬粒子存在的眾多跡象之一。
所有這些粒子的實(shí)驗(yàn)效果是一種震撼人心的繼續(xù),它充滿(mǎn)了整個(gè)宇宙并向外推動(dòng)了宇宙本身。因此這項(xiàng)活動(dòng)最有可能是暗物質(zhì)的一種解釋?zhuān)蚴悄壳坝^測(cè)到宇宙而不是保持靜止或以穩(wěn)定的速度膨脹,而是每時(shí)每刻都在向外加速。
真空能量的問(wèn)題主要在于數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)果不符合顯示??茖W(xué)家們計(jì)算出這種能量應(yīng)該是巨大的,它應(yīng)該強(qiáng)大而迅速地膨脹了整個(gè)宇宙,以至于沒(méi)有恒星和星系形成。但是顯然現(xiàn)實(shí)世界不是這樣,所以宇宙中的真空能必須非常小,比量子理論預(yù)測(cè)的小約120個(gè)數(shù)量級(jí)。這就像說(shuō),重12斤的東西實(shí)際上應(yīng)該重12斤后再加上120個(gè)零。這種差異促使一些科學(xué)家將真空能稱(chēng)為“物理學(xué)史上最糟糕的理論預(yù)測(cè)”。
真空能被認(rèn)為是“宇宙常數(shù)”的主要成分,“宇宙常數(shù)”是廣義相對(duì)論方程中的一個(gè)數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)。真空能量的預(yù)測(cè)量與測(cè)量值之間的巨大差異通常被稱(chēng)為宇宙常數(shù)問(wèn)題?!八ǔ1徽J(rèn)為是當(dāng)今理論物理學(xué)中最棘手,最尷尬,最棘手的問(wèn)題之一,”英格蘭諾丁漢大學(xué)物理學(xué)家安東尼奧·帕迪拉說(shuō),他花了15年的時(shí)間才弄清楚這一點(diǎn)。
“這表明我們的故事中缺少一些東西。我覺(jué)得這很令人興奮”
這個(gè)謎語(yǔ)吸引了物理學(xué)界的一些最偉大的頭腦,并引出了許多解決問(wèn)題的想法。去年,紐約大學(xué)物理學(xué)家在布朗大學(xué)物理系的一次演講中花了一個(gè)小時(shí),總結(jié)了迄今為止理論家提出的所有概念。最后,一位聽(tīng)眾問(wèn)他贊成哪個(gè)想法。“沒(méi)有一個(gè),”加巴達(dá)茲回答。他說(shuō),它們太“激進(jìn)”了,都需要“放棄現(xiàn)在的一切原則”。
但是另外一些物理學(xué)家卻說(shuō),新的理論工作正在激發(fā)人們的困惑。探測(cè)重力的精密實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的最新進(jìn)展,以及引力波天文學(xué)的出現(xiàn),都為該問(wèn)題的某些解決方案最終可以用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試提供了希望。
宇宙常數(shù)研究具有很長(zhǎng)的歷史。安大略省理論物理周邊學(xué)院的物理學(xué)家拉斐爾·索金說(shuō):“這就是對(duì)問(wèn)題的一種妥協(xié)解決方案?!?阿爾伯特·愛(ài)因斯坦于1917年首先發(fā)明了這種數(shù)學(xué)方法,以迫使他的相對(duì)論場(chǎng)方程來(lái)預(yù)測(cè)靜態(tài)宇宙,他和大多數(shù)科學(xué)家都認(rèn)為宇宙就是這樣一成不變的。但是在1929年,天文學(xué)家愛(ài)德溫·哈勃測(cè)量了許多星系的速度,令他們驚訝的是,它們都在遠(yuǎn)離我們,而且星系越遠(yuǎn),它走得越快。他的測(cè)量結(jié)果表明,空間到處都在擴(kuò)大,無(wú)論您從哪里看,似乎所有星系都在消退,因?yàn)槿f(wàn)物之間的距離一直在增長(zhǎng)。
面對(duì)這個(gè)消息,一段時(shí)間以來(lái),宇宙常數(shù)一直沒(méi)有真正的結(jié)果,但它正在悄悄地為卷土重來(lái)做準(zhǔn)備。在1990年代后期,兩個(gè)天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)開(kāi)始測(cè)量由于引力向內(nèi)引力而使宇宙膨脹減慢了多少。他們?cè)?008年和2009年開(kāi)始基于超新星,進(jìn)行測(cè)量,并且發(fā)表了他們的結(jié)果——這些超新星的距離可以非常精確地確定。結(jié)果顯示這些超新星中距離最遠(yuǎn)的竟然比預(yù)期的要暗得多,因此距離更遠(yuǎn)。這證明宇宙膨脹不僅沒(méi)有絲毫放緩,而且在加速。這一令人震驚的發(fā)現(xiàn)為兩支團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)人贏得了諾貝爾獎(jiǎng),并促使宇宙學(xué)家邁克爾·特納為引起加速的神秘力量創(chuàng)造了“暗物質(zhì)”一詞。物理學(xué)家猜測(cè)暗物質(zhì)的來(lái)源可能是宇宙常數(shù),換句話(huà)說(shuō),是真空能。“也許愛(ài)因斯坦的失誤比普通凡人的盡力而為有更多的見(jiàn)識(shí),”宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)者之一索爾·珀?duì)柲貙?xiě)道。
盡管宇宙常數(shù)使物理科學(xué)家能夠再次平衡愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程,但是但常數(shù)的值沒(méi)有確定。這困擾科學(xué)家們?cè)S多年。
物理學(xué)家沃爾夫?qū)け@亲钤缱⒁獾竭@個(gè)問(wèn)題的人之一,他在1920年代就發(fā)現(xiàn),這種能量應(yīng)該非常強(qiáng),以至于宇宙應(yīng)該已經(jīng)膨脹了很長(zhǎng)時(shí)間,超過(guò)了第一束光可以穿越其中任何物體之間的距離的程度。。但是當(dāng)時(shí)沒(méi)人認(rèn)真對(duì)待它。物理學(xué)家Yakov是第一個(gè)基于量子理論對(duì)真空能的觀測(cè),正式計(jì)算宇宙常數(shù)的值的人,他在1967年發(fā)現(xiàn)能量應(yīng)該使宇宙常數(shù)變大。但是當(dāng)時(shí),科學(xué)家們認(rèn)為宇宙正在以穩(wěn)定或緩慢的速度膨脹,并且大多數(shù)人認(rèn)為宇宙常數(shù)為零。
30年后,當(dāng)天文學(xué)家意識(shí)到宇宙膨脹正在加速發(fā)展時(shí),問(wèn)題并沒(méi)有因此消失。因?yàn)榕c當(dāng)時(shí)的量子理論相比,加速度的數(shù)量雖然令人震驚,但仍然算是微不足道。從某種意義上說(shuō),恢復(fù)宇宙常數(shù)會(huì)使問(wèn)題解決變得更糟?!八膬r(jià)值非常奇怪,”德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的理論物理學(xué)家凱瑟琳·弗里斯說(shuō)?!吧踔帘攘氵€奇怪?!?/div>
并非所有人都認(rèn)為這是需要修復(fù)的問(wèn)題。從技術(shù)上講,宇宙常數(shù)只是自然常數(shù),方程中的數(shù)字可以取任何值,德國(guó)法蘭克福高等研究院的理論物理學(xué)家薩賓·霍森菲爾德說(shuō)。它具有它所具有的值的事實(shí)僅僅是數(shù)字上的巧合。他說(shuō):?!拔艺J(rèn)為宇宙學(xué)和天體物理學(xué)界的大多數(shù)人不認(rèn)為這是一個(gè)問(wèn)題?!?/div>
然而,仍然有物理學(xué)家無(wú)法放任自流。宇宙常數(shù)的意外小是令人困惑的。加巴達(dá)茲說(shuō):“這讓我很困擾,我想得到一些答案?!?/div>
盡管許多物理學(xué)家都熱衷于解決這個(gè)問(wèn)題,但進(jìn)展速度卻令人沮喪地緩慢。帕迪拉說(shuō):“距離澤爾多維奇真正指出問(wèn)題所在已有50多年了,而且肯定沒(méi)有公認(rèn)的正確解釋?!?/div>
所有這些策略都傾向于對(duì)已有的物理學(xué)進(jìn)行相當(dāng)大的修改。“每個(gè)人都要求對(duì)基本原理進(jìn)行重大修改,比如說(shuō)時(shí)空或宇宙的維數(shù),”加巴達(dá)茲說(shuō)。“這些新的理論都在某種程度上令人反感?!?沒(méi)有任何一個(gè)理論可以明確地超越其他理論?!霸谶@一點(diǎn)上,這變成了一個(gè)品味問(wèn)題,” 他說(shuō)。
五年前,當(dāng)科學(xué)家開(kāi)始探測(cè)引力波時(shí),他們獲得了一個(gè)全新的透鏡來(lái)研究宇宙。引力波是由諸如黑洞和中子星等大質(zhì)量物體碰撞產(chǎn)生的時(shí)空波紋。諸如美國(guó)的LIGO和歐洲的處女座等重力波天文臺(tái)現(xiàn)在定期發(fā)現(xiàn)由宇宙大爆照產(chǎn)生的波,這些波可證明對(duì)探測(cè)真空能的性質(zhì)很有用。解決宇宙學(xué)常數(shù)問(wèn)題的一些嘗試依賴(lài)于廣義相對(duì)論的變化,這將導(dǎo)致重力的傳播比光速慢一些。
引力波也揭示了中子星內(nèi)部的奇怪活動(dòng)。這些緊湊的超新星殘骸是如此密集,以至于原子已經(jīng)崩潰,它們的質(zhì)子和電子粉碎在一起,形成了幾乎純凈的中子。這種奇異的狀態(tài)會(huì)引起奇怪的現(xiàn)象。例如,中子星的核心可能包含物質(zhì)的新相,這將導(dǎo)致其中的真空能數(shù)量躍升。引力波天文臺(tái)可能對(duì)此處額外真空能量的引力效應(yīng)敏感,有可能揭示有關(guān)真空能量性質(zhì)的秘密。
“我們將繼續(xù)嘗試,”加巴達(dá)茲談到通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)宇宙學(xué)常數(shù)假設(shè)的嘗試?!白?960年左右以來(lái),每一代物理學(xué)家都看到了新的解決方案。” 也許科學(xué)家會(huì)發(fā)現(xiàn)更簡(jiǎn)單的解決方法。即使他們正在尋求可能永遠(yuǎn)不會(huì)實(shí)現(xiàn)的解決方案,但許多物理學(xué)家仍然沉迷于這一追求。
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