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關於暗能量的一個新解釋

2021/12/25

yidianzixun

周一 · 最新發現 | 周二 · 牧夫專欄

紫外可見光譜的圖像展示了遙遠的宇宙。圖上的星系正以超過光速的速度加速遠離我們。我們認為宇宙中存在大量暗能量促成了這一事實。

Credit: NASA/ESA

20年前，宇宙加速膨脹理論被首次提出，之後科學家一直嘗試能夠得到簡明的、令人信服的和可以被驗證的解釋。越來越多的試驗和觀測數據指向一個假想宇宙加速膨脹的根源——暗能量，但它一直都是令人抓狂的和難以捉摸的概念。如果我們把暗能量視為功能上等效於「宇宙常數」（或空間固有的能量），將會很難評估它的特性和數值。如果我們把它視為在空間中放置物質而引發的作用力，那樣暗能量就成因於宇宙空間的特性，這一特性由宇宙和物質本身決定。

圖中星系成簇狀的形態能夠反映暗能量的存在與作用能級

Credit: NASA Goddard Space Flight Center

我們很容易揭示宇宙中的大多數作用力和現象。兩個大質量物體之間會產生顯著的引力作用，這種作用可以歸結於物質和能量下的時空彎曲。宇宙在膨脹，它經歷了大爆炸，之後是能量密度和分佈的持續變化。所有的宇宙粒子經歷了量子場論和矢量波色子交換的作用。從最小的亞原子粒子到最大尺度的物質，同樣的作用力發揮著作用，維繫著從質子，到人類，到行星，再到星系。

強相互作用，如同圖示發生交換膠子，維繫著原子核。

Credit: Wikimedia

一些謎一樣的現象可以用已知的知識來解釋。比如：我們不知道是否存在比反物質更多的物質，但我們知道所需要的條件：只有違反重子數、重子不守恆，以及破壞電荷共軛變換不變性和電荷共軛-空間反演聯合變換不變性的相互作用。我們並不知道暗物質的性質，但我們知道它們分佈在哪裡以及它們是如何聚集的。我們並不知道黑洞是否有信息，但我們已經知道它們的最終和初始狀態，以及他們在視界會發生什麼。

黑洞示意圖

Credit: NASA

然而，對於暗能量我們真的一無所知。當然，我們可以測量宇宙的膨脹，來評估它的作用等級。但是它們是怎樣以正態的能量形式存在於宇宙的？它又是如何永遠都以正態形式作用於宇宙，永遠都不衰減？在宇宙的初期它是如此的微弱，也就是在宇宙的前幾十億年很難注意到它的存在，而現在它的作用是如此巨大？

星系演化的行星形成階段

Credit: NAOJ

現在我們已經了解到很多關於宇宙以及暗能量的信息，它們揭示出一些有趣的關聯。宇宙中有很多空間，空間中存在量子場。引力、電磁力以及核力無處不及。如果我們嘗試計算真空中的不同量子場，那麼我們可以列出無窮盡的條目，因此只能進行大致的評估。而選取部分計算，貌似可以得到大致的結果，但我們終將失望而歸。數學上，只要大約120個數量級，或正或負的計算已經非常龐大。這些正負計算值並不能完全抵消。這裡可能存在歸因於空間本身的能量，也正因為這種能量讓遠處的星系加速遠離我們，儘管很慢但隨著時間推移持續作用。