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摘要: 暗能量难以捉摸,但有一种猜测能很好的解释它。


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紫外可见光谱的图像展示了遥远的宇宙。图上的星系正以超过光速的速度加速远离我们。我们认为宇宙中存在大量暗能量促成了这一事实。

Credit: NASA/ESA

20年前,宇宙加速膨胀理论被首次提出,之后科学家一直尝试能够得到简明的、令人信服的和可以被验证的解释。越来越多的试验和观测数据指向一个假想宇宙加速膨胀的根源——暗能量,但它一直都是令人抓狂的和难以捉摸的概念。如果我们把暗能量视为功能上等效于“宇宙常数”(或空间固有的能量),将会很难评估它的特性和数值。如果我们把它视为在空间中放置物质而引发的作用力,那样暗能量就成因于宇宙空间的特性,这一特性由宇宙和物质本身决定。

图中星系成簇状的形态能够反映暗能量的存在与作用能级

Credit: NASA Goddard Space Flight Center

我们很容易揭示宇宙中的大多数作用力和现象。两个大质量物体之间会产生显著的引力作用,这种作用可以归结于物质和能量下的时空弯曲。宇宙在膨胀,它经历了大爆炸,之后是能量密度和分布的持续变化。所有的宇宙粒子经历了量子场论和矢量波色子交换的作用。从最小的亚原子粒子到最大尺度的物质,同样的作用力发挥着作用,维系着从质子,到人类,到行星,再到星系。

强相互作用,如同图示发生交换胶子,维系着原子核。

Credit: Wikimedia

一些谜一样的现象可以用已知的知识来解释。比如:我们不知道是否存在比反物质更多的物质,但我们知道所需要的条件:只有违反重子数、重子不守恒,以及破坏电荷共轭变换不变性和电荷共轭-空间反演联合变换不变性的相互作用。我们并不知道暗物质的性质,但我们知道它们分布在哪里以及它们是如何聚集的。我们并不知道黑洞是否有信息,但我们已经知道它们的最终和初始状态,以及他们在视界会发生什么。

黑洞示意图

Credit: NASA

然而,对于暗能量我们真的一无所知。当然,我们可以测量宇宙的膨胀,来评估它的作用等级。但是它们是怎样以正态的能量形式存在于宇宙的?它又是如何永远都以正态形式作用于宇宙,永远都不衰减?在宇宙的初期它是如此的微弱,也就是在宇宙的前几十亿年很难注意到它的存在,而现在它的作用是如此巨大?

星系演化的行星形成阶段

Credit: NAOJ

现在我们已经了解到很多关于宇宙以及暗能量的信息,它们揭示出一些有趣的关联。宇宙中有很多空间,空间中存在量子场。引力、电磁力以及核力无处不及。如果我们尝试计算真空中的不同量子场,那么我们可以列出无穷尽的条目,因此只能进行大致的评估。而选取部分计算,貌似可以得到大致的结果,但我们终将失望而归。数学上,只要大约120个数量级,或正或负的计算已经非常庞大。这些正负计算值并不能完全抵消。这里可能存在归因于空间本身的能量,也正因为这种能量让远处的星系加速远离我们,尽管很慢但随着时间推移持续作用。

4种宇宙膨胀结局,第4种最像是我们的宇宙。

Credit: E. Siegel / Beyond The Galaxy

宇宙为什么在加速膨胀?是因为暗能量的作用,但暗能量来自哪里?一种猜测是来自低温的中微子,甚至还有可能是我们目前对宇宙膨胀研究的错误。但有一种简单的被忽视的可能:那就是空间自身的性质,在空间中的物质会因为这种性质产生作用力。这种想法来源于一个已被验证的现象:卡西米尔效应。

卡西米尔效应示意图:两片真空中的金属片在“真空涨落”中发生相互作用

Credit: Wikimedia

空间中如果没有电荷、没有电流,就没有电磁力。但如果我们将两片金属箔放置在非常近的距离,卡西米尔效应就出现了,两个金属箔之间出现了相互作用力。我们认为出现了由于真空能量的存在而产生的一种吸引力。事实证明,包括引力在内的所有力都表现出卡西米尔效应。

宇宙大尺度的图像,展示了超过百万个星系,每个点都是一个星系,不同颜色代表不同距离,红色最远。

Credit: Daniel Eisenstein and the SDSS-III collaboration

因此,我们将上述效应应用在整个宇宙会怎样?答案很简单:我们得到像暗能量这样的表现,尽管它们可能不在一个数量级。原因很可能是我们还无法充分了解宇宙物质,也没有掌握量子场效应的计算方式。近几十年,我们已有长足的进步,产出了很多难以置信的研究成果。

三维重建12万个星系的簇状结构

Credit: Jeremy Tinker/ the SDSS-III

我们正在绘制整个宇宙的地图。也许通过这些观测和实验我们永远无法理解暗能量。也许暗能量本就只是一种理论,它可能是与某种真空能概念相似的理论,也或许甚至是更多维度空间的征兆。这就是我们研究的宇宙,有太多难以理解的秘密,但有些秘密可以用现有的知识解答,只要我们潜心研究。

作者:Ethan Siegel,www.forbes.com

    翻译:毛明远  |  校对:李可为

    编排:毛明远

责任编辑:解仁江

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