作者:段歆涔 来源:中国科学报 发布时间:2013-9-16 13:14:31
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暗能量研究寄望引力子指路
有助解释宇宙加速膨胀之谜

从月球弹回激光束的实验可能探测到绕月轨道的异常现象,这有助于解释暗能量的本质。图片来源:NASA
 
电影美国《华尔街》中有一句名言:“贪婪是好事”,这条准则很快就会被宇宙学家用来解释暗能量的起源。这种神秘的东西正在加速宇宙的膨胀。
 
在近日于英国剑桥市召开的一个宇宙学会议上,参会者讨论了一种有争议的理论——重力是由一种假想的引力子传递的。这一粒子会吞噬来自空间的巨大能量,使得宇宙以一种加速却非破坏性的速度扩张。
 
20世纪90年代后期,天文学家发现宇宙膨胀正在加速,研究人员一直致力于解释这一假想实体(被称为暗能量)的本质,以及为什么这种加速如此微弱。
 
其中最有根据的一个猜测是,暗能量是真空的一种固有属性。粒子物理学预测了这种真空能量的存在,且应该比解释天文学家观测到的宇宙膨胀加速现象所需要的能量还要大10120倍。然而,如果暗能量果真如此之大,宇宙应该在恒星和星系形成之前就分崩离析了。
 
2010年,美国俄亥俄州克利夫兰市凯斯西储大学宇宙学家Claudia de Rham和她的同事想到了一个令人吃惊的观点,如果大部分暗能量被假想的引力子吞没,那么暗能量可能就是真空能量了。物理学家通常认为,引力子作为传递重力的基本粒子,和其他为人们所熟知的粒子类似——这些粒子传递另外3种自然界的基本作用力,分别是:电磁力、弱核力和强核力。
 
大部分物理学家假定,引力子和光子一样没有质量,因此重力可以扩展到整个宇宙空间。de Rham说:“我们知道,重力是远程的,因为我们感觉到来自太阳的重力——其为一个引力子能够有多大设置了范围。”她和同事意识到,如果假设引力子只有微乎其微的质量——小于电子伏特的10-33,引力子仍能符合所有天文观测的条件。(相比之下,中微子——已知的最小的质量非零的粒子,质量相当于1电子伏特,而电子的质量约相当于51.1万电子伏特。)
 
美国纽约大学宇宙学家Mark Wyman表示,de Rham的团队首次公开其引力子模型时引起了巨大轰动,因为几乎没有什么好的方法能破解暗能量之谜。他说:“突然有一系列理论能够真正深入了解暗能量。”此外,无需添加新的和外来粒子或空间的额外维度,引力子就能解释宇宙最大的谜团,使得其成为一个“极简主义的解决方案”,de Rham这样描述它。
 
但是这一想法差点被扼杀在萌芽状态,Wyman补充道,物理学家开始审视这一理论并发现一些可能存在的问题。其中一个担心是,该理论可能包含隐藏的“幽灵”——含有负能量的领域且不能存在于现实中,但是其他人并不赞成这种担忧。de Rham说:“使用‘幽灵’一词是因为它们非常可怕,如果其确实存在,它们能摧毁任何一种理论。”de Rham坚定地认为她的模型不存在所谓的幽灵。
 
研究人员已经提出,在de Rham的原始模型上,存在种类繁多的其他类型的变量。例如,2011年,瑞典斯德哥尔摩大学宇宙学家Sayed Fawad Hassan和美国纽约哥伦比亚大学的Rachel Rosen提出,将两种类型的引力子结合在一个模型中,一个是质量巨大的,另一个是无质量的。然而,这要求宇宙由两个互相重叠且相互作用的构造组成。
 
在剑桥会议上,包括de Rham在内的一些宇宙学家各自展示了一系列模型——两种相互影响的构造能自然地使时空加速。这能形成暗能量效应,宇宙学家一直通过另一机制(不需要任何真空能量)来观察它。
 
de Rham说,这些理论能否站得住脚取决于它们能否作出经得起实验检验的预测——区分标准宇宙论和重力。这些实验很快在太阳系内开展,因为重力模型预测,在地球和月球间存在一个引力场——和普通重力略有不同。
 
在地球和月球之间进行的激光实验目前测量了两者的距离和角度。de Rham说:“我们距离检测到重力仅咫尺之遥。”
 
然而,尽管已经发现这些实验证据,一些人仍对整个重力设想持怀疑态度。德国慕尼黑大学宇宙学家Viatcheslav Mukhano说,尽管最初他也被该理论的简易性所吸引,但和新时空连接且增加额外的引力子,使得其人为痕迹过于严重。Mukhano说:“我认为暗能量问题需要一个更优雅的解决方案。”
 
Wyman则表示,优雅仅仅是个人喜好问题。他说:“如果他们能选定一个引人注目的独特模型来解释暗能量,我认为人们想不注意到都难。接下来几个月将要发生的事将决定该理论和现实世界是否有关联性,或者它仅仅只是昙花一现。”(段歆涔)
 
《中国科学报》 (2013-09-16 第3版 国际)
 
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