加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家或已解決當(dāng)前宇宙學(xué)中最大的謎題之一：是什么導(dǎo)致宇宙加速膨脹？
該研究團(tuán)隊(duì)試圖解決量子力學(xué)和愛因斯坦的廣義相對論之間的不兼容性，并以此解釋宇宙學(xué)常數(shù)問題和暗能量疑難。相關(guān)成果近日發(fā)表于《物理評論D》，并被選為編輯推薦文章。該期刊審稿人認(rèn)為，文章“提出了解決宇宙常數(shù)問題的新方法”，含有“具有重要影響力的原創(chuàng)思想”。
新研究推斷，如果放大人們生活的宇宙空間，將看到時空不斷劇烈地膨脹和收縮?！皶r空并不像看上去那樣是靜止的，它在不停地運(yùn)動。”該文章主要作者、不列顛哥倫比亞大學(xué)中國留學(xué)生王清滌博士說。
1998年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹，這說明宇宙真空并非空無一物，其中存在著驅(qū)動宇宙膨脹的動力——占整個宇宙68.3%的物質(zhì)暗能量。
暗能量最自然的候選者就是物質(zhì)場的真空能。當(dāng)物理學(xué)家將量子力學(xué)應(yīng)用于真空能的計(jì)算時，發(fā)現(xiàn)了令人難以置信的高密度真空能。而愛因斯坦的廣義相對論表明，如此巨大的能量會導(dǎo)致很強(qiáng)的引力效應(yīng)，多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為它將導(dǎo)致整個宇宙以無法想象的速度膨脹。
然而，現(xiàn)在的宇宙膨脹的速度非常慢，比物理學(xué)家預(yù)言的小了50到120個數(shù)量級。這造成了基礎(chǔ)物理學(xué)的重大難題：這個結(jié)合了現(xiàn)代物理學(xué)兩大基石——量子力學(xué)和廣義相對論而做出的預(yù)言竟然比實(shí)際觀測值小10120倍。這被弦理論創(chuàng)始人之一、斯坦福大學(xué)教授李奧納特·蘇士侃（Leonard Susskind）稱為“有史以來物理學(xué)中最糟糕的預(yù)言”。菲爾茲獎得主、普林斯頓高等研究院教授愛德華·威滕（Edward Witten） 認(rèn)為這個問題是“阻礙基礎(chǔ)物理學(xué)進(jìn)步的最大障礙之一”。諾貝爾物理學(xué)獎得主史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）認(rèn)為這是基礎(chǔ)物理學(xué)的一個真正的危機(jī)。
物理學(xué)家做出了很多努力，要么設(shè)法修改量子力學(xué)理論以盡可能減少真空能的數(shù)值，要么修改廣義相對論使巨大的真空能不產(chǎn)生引力效應(yīng)。王清滌和導(dǎo)師、該校物理學(xué)和天文學(xué)教授威廉·盎魯（William G. Unruh）及另一位博士生朱震則提出了一種全新的解決方案。他們嚴(yán)肅對待量子力學(xué)預(yù)測的巨大真空能，并認(rèn)為它的確遵循廣義相對論的等效原理。在研究中他們發(fā)現(xiàn)此前的計(jì)算忽略了一些真空能的重要性質(zhì)。
一旦這些被忽略的重要性質(zhì)被考慮到，量子真空的引力效應(yīng)將與此前人們認(rèn)為的非常不同。這種差異的結(jié)果是盡管真空能非常巨大，但整體看，宇宙仍然會以極小的哈勃常數(shù)加速膨脹，而并非以前預(yù)言的巨大速率。研究結(jié)果表明，正是巨大的量子真空能驅(qū)動了宇宙加速膨脹，人們不需要引入宇宙學(xué)常數(shù)（為了符合觀測，這一常數(shù)需要被精確到小數(shù)點(diǎn)后120位），也沒有必要引入其他具有負(fù)壓強(qiáng)的暗能量解釋宇宙加速膨脹。
他們的計(jì)算提供了一種全然不同的宇宙物理圖景。在這個新圖景中，人們所在的時空是在時刻劇烈變化的。時空的每一點(diǎn)都在劇烈地膨脹和收縮著。而宏觀地看，這種膨脹和收縮幾乎可以完全互相抵消，僅剩一個極微弱的凈效應(yīng)驅(qū)動宇宙緩慢加速膨脹。
但如果時空是不斷震蕩的，為什么人們感覺不到呢？“這種波動發(fā)生在極其微小的尺度，甚至比一個電子還小萬萬億倍。”王清滌說。
“就像我們看到的海浪?！?盎魯說，“雖然構(gòu)成大海的每個原子都在高速運(yùn)動著，但這并不影響海浪的傳播。”
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