關於宇宙中暗能量的新解釋

【博科園-科學科普】自從宇宙膨脹在近20年前被發現以來，科學家們一直渴望一個引人注目、簡單、可測試的解釋。然而隨著越來越多的實驗和觀測數據的出現，這種暗能量的產生——假設的加速度原因變得令人難以捉摸。

XDF的全uv -可見光- ir複合圖像，這是有史以來最偉大的影像。圖片版權：NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI)

雖然它在功能上等同於「宇宙常數」(或「空間本身固有的能量」)，但沒有什麼好辦法來預測它的性質。然而如果你認為把某些形式的物質放在真空中改變了物質的力量，也許暗能量來自於最簡單的原因：我們的宇宙包含了物質。

今天我們宇宙中星系的團簇/聚類模式的地圖。這些結構的存在可以解釋暗能量的存在和大小。圖片版權：Greg Bacon/STScI/NASA Goddard Space Flight Center

宇宙中大部分的力和現象都有可能被輕易地發現。由於時空是由物質和能量的存在而彎曲的，所以兩個巨大的物體經歷了引力。由於宇宙能量密度的變化和初始膨脹的條件。宇宙中所有的粒子都經歷了它們的相互作用，因為已知的量子場論規則和向量玻色子的交換。從最小的亞原子粒子到最大的尺度，同樣的力量在發揮作用，從質子到人類到行星到星系。

由於「顏色電荷」的存在和膠子的交換，這種強大的力作用於將原子核聚集在一起的力。圖片版權：Wikimedia Commons user Qashqaiilove

甚至一些更為神秘的現象也有其基本的解釋。我們不知道在宇宙中有什麼比反物質更重要的東西，但我們知道需要的條件——重子數的違背，脫離平衡條件和C和cp都存在。我們不知道暗物質的本質是什麼，但是它的一般性質，它的位置和它如何聚集在一起是很容易理解的。我們不知道黑洞是否保存信息，但我們了解這些物體的最終和初始狀態，以及它們是如何形成的以及隨著時間的推移，它們的視界會發生什麼變化。

黑洞和周圍的加速和不斷增加的吸積盤。即使信息的損失或保留，黑洞的初始和最終狀態也是可以預測的。圖片版權：NASA

但有一件事我們一點都不明白：暗能量。當然我們可以測量宇宙的加速度，確定它的大小。但是為什麼我們有一個非零值暗能量的宇宙呢？為什麼要空空如也，沒有任何東西——沒有物質，沒有曲率，沒有輻射，沒有任何東西——有一個積極的非零的能量？為什麼它會導致宇宙本身以一種積極的、永不消失的零速度擴張呢？為什麼它的能量如此之小，以至於在宇宙歷史的最初幾十億年裡，它是完全不引人注意的，而且只有在地球形成的時候才開始主宰宇宙?

一種原行星盤的插圖，在那裡行星和行星的形成首先形成，在圓盤上形成「間隙」。大約在40到50億年前，當我們的太陽系形成時，暗能量同時開始主宰宇宙的膨脹速度和能量。圖片版權：NAOJ

我們可以注意到很多關於暗能量和宇宙的東西，它們很有趣也暗示著聯繫。有很多空的空間，我們知道在它的整個過程中都有量子場。宇宙中沒有任何區域的引力、電磁或核力無法到達;他們隨處可見。如果我們試著計算我們所說的不同量子場的真空期望值(VEV)，我們首先只能做近似的，因為有無數項我們可以把它寫下來，從而達到任意高階。如果我們在任何時候截斷這個系列，我們就可以把大概的貢獻加起來，然後我們就會非常失望。

量子電動力學中的零點能量的幾個術語，圖片：R. L. Jaffe, from

如果我們這樣做就會得到大約120個數量級的貢獻，無論正面還是負面。就我們所知它們並沒有完全取消，即使它們真的被取消了，我們仍然有一個煩人的觀測問題，那就是宇宙沒有記憶，減速或者漸近到零速度;這是真的,真正的加速。在某種程度上空間本身存在一種微小但非零的能量。這種能量正導致宇宙中遙遠的星系從我們的衰退中加速，雖然慢慢地，隨著時間的推移。

我們宇宙未來的四個可能的命運，最後一個似乎是我們生活的宇宙，由暗能量主導。圖片：E. Siegel / Beyond The Galaxy

也許最大的理論問題是為什麼？為什麼宇宙會加速？我們對暗能量的成因沒有很好的解釋。我們最近研究了它的冰凍中微子的可能性，或者它可能是我們在膨脹的宇宙中出現問題的一種徵兆。但還有另一種可能性，那就是我們很少注意到，它應該得到更多的關註：它可能是一個空的空間本身的屬性，它是由其他事物的存在引起的，比如在宇宙中充當有效邊界的物質。

這是可能的原因是因為這是一個我們知道存在的效應：卡西米爾效應。

一個關於卡西米爾效應的例子，以及在板塊外側的力是與內部的力不同的。圖片：Emok / Wikimedia Commons

真空的電磁力是什麼？當然這沒什麼。沒有電荷，沒有電流，沒有物質影響，它真的是零，這不是一個技巧。但是如果你把兩個金屬板分開分開，然後問電磁力是什麼，你會發現它不是零！由於一些真空的波動模式由於板塊的邊界被禁止，我們不僅預測而且測量了這些板塊之間的非零力，這是由於除了空的空間本身。事實證明所有的力，包括引力，都有卡西米爾效應。

在宇宙中每一個點都是它自己的星系。不同的顏色代表距離，紅色代表更遠。圖片版權：Daniel Eisenstein and the SDSS-III collaboration

那麼如果我們把這個效應應用到整個宇宙，並試圖計算結果應該是什麼呢？答案很簡單：我們得到了一種與暗能量一致的形式，儘管再一次幅度是完全錯誤的。這很有可能是一個事實，我們不知道宇宙的邊界條件是什麼樣子，也不知道如何計算這個量子引力效應。但這是一個令人難以置信的、經過充分研究的可能性，在過去的十年裡有很多有趣的發展。

三維重建的12萬星系及其聚類性質，從其紅移和大規模結構形成推斷。圖片版權：Jeremy Tinker and the SDSS-III collaboration

映射宇宙可能是最容易的部分。也許這並不是一個觀測或實驗的突破，它將引導我們理解暗能量，宇宙中最難以捉摸的力量。也許這是一個需要的理論。也許它與痕量異常有關，也許它是隨時間變化的動態量，也許它甚至是一個額外維度的符號。宇宙就在那裡，我們最近才發現了這個最難解釋的秘密。也許解決方法或如果我們小心，可能會在我們已經知道的物理中。

作者：Ethan Siegel（天體物理學家）

來自：Forbes science

編譯：中子星

審校：博科園

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