暗能量是所有科学领域中尚未解决的最大难题之一。宇宙不仅在膨胀,而且我们推断遥远星系的膨胀率正在加速:随着时间的推移,从我们的观察角度它们的退去速度在加快。这是一个惊喜,当它在20世纪90年代被经验性地发现时,20多年过去了,我们仍然不知道这种神秘和宇宙中最丰富的能量形式从何而来。
虽然你可以在广义相对论的背景下解释暗能量,但最近尝试通过改变引力来解释暗能量已经成为一种时尚。最近,获奖的克劳迪娅·德拉姆博士的理论工作成为焦点,导致《卫报》发问:“物理学家的引力理论是否解决了‘不可能’的暗能量之谜?” 这是一个令人着迷的可能性,但需要有适当程度的怀疑。
你可以把宇宙想象成两个竞争者之间的竞赛:最初的宇宙膨胀,导致遥远的物体彼此远离;引力,将所有的东西拉回到一起,试图重新回忆宇宙。大爆炸是发令枪,当远处的物体开始彼此后退时,地心引力总是会使它们减速。
你可以想象的三种可能性:
不幸的是,对我们的直觉来说,宇宙并没有这样做。
当然,在最初的70或80亿年里,它看起来正朝着完美平衡的方向发展,但随后出现了一种新的现象:暗能量。虽然科学家没有足够的证据得出结论,至于造成暗能量存在并支配我们的宇宙的原因,我们可以描述它所做的以及它如何影响我们的宇宙。
如果将望远镜对准一个遥远的星系,测量它的光,从它诞生的那一刻到今天,你会发现你观察到的光总是与发出的光相比发生红移。当光在不断膨胀的宇宙中传播时,空间本身的结构就会拉伸,从而拉伸光的波长。当它到达我们的眼睛时,它的波长更长,这意味着它的颜色比发射时更红,能量更低。最初发出这种光的遥远星系本身也会随着时间的推移越来越远。
如果没有暗能量,任何一个星系都会以一个特定的红移开始——它的光会被拉伸一定的量——红移会随着时间而减少。随着引力减缓了膨胀速率,遥远的星系将以逐渐减慢的速度退去,随着宇宙的继续发展,它们的光将越来越少地红移。
然而,在我们的宇宙中,我们看到了另外一些事情:单个星系在宇宙历史的前78亿年似乎放慢速度,然后它们的退去速度似乎加速了。随着时间的推移,遥远的星系单独地以越来越快的速度从我们身边消失。在我们所能观测到的宇宙中的2兆个星系中,即使我们今天以光速朝向它们奔去,有94%个星系是我们永远无法企及的。
当然,最大的问题是为什么。为什么我们的宇宙有暗能量?为什么暗能量具有它所具有的非零值?为什么它有它所具有的特殊性质?
自从上世纪90年代首次揭示并发现暗能量以来,从宇宙的大尺度结构,从宇宙对其内部恒星的年龄要求,从遥远超新星的微弱,从宇宙的平坦度和测量的物质密度的结合,科学家们已经知道与我们所说的宇宙学常数惊人地一致:我们可以在爱因斯坦的广义相对论中,加入一些不违背理论本身核心预言的东西。
宇宙学常数的概念很简单:空间结构本身具有非零的固有能量。
这是解释暗能量最简单、最保守的方法:这仅仅是由于空间本身的性质。如果暗能量真的被空间的零点能量所描述,并且与宇宙常数不可区分,那么它应该:
无论我们在哪里测试,最后一点的每一个组成部分都被观测到非常精确,这就是为什么引力的改变已经受到如此严格的预先约束的原因。
尽管如此,最近修改引力已经成为一种时尚,许多理论家修改了打破广义相对论规则的想法。最常见的修改类型要么是添加一个额外的字段(标量、向量或两者),要么是添加一组额外的术语(像一个新的耦合),要么就是它们打破了引力在任何时候对每个人都是相同的定律的概念。所有这些都已经受到了高度的限制,因为广义相对论已经出色通过了我们所经历过的每一次验证。
然而,这些想法中的一些已经过时了。最后一个选择就是打破洛伦兹不变性,这意味着抛弃了建立相对论的基本原理。最近,一项新的研究得到了广泛的关注,试图通过假设引力子(携带光子的引力类似物),这种引力子并非完全没有质量,而是具有其固有的微小、非零质量
如果是真的,这将对物理学产生巨大的影响。首先,它意味着引力并不是真正的远程力;在足够远的距离上,它应该以比电磁力(基于无质量光子)更快的方式变得更弱。第二,这意味着改变你的坐标,无论是以恒定的速度移动还是变速移动到不同的位置,都会改变你对引力定律的感知。
但第三,这意味着引力的速度小于光速,这很难调和。事实上,这三者都有观测和实验上的局限性,告诉我们,如果引力不是真正的长程引力,不是坐标引力,也不是推进不变量引力,或者它的速度不完全等于光速,那么它必须非常非常接近光速。
但是,从理论上讲,引力子的第四个结果是最令人不安的:它的质量随时间而变化,与膨胀率本身成比例。
这是理论物理学家在沙盘里玩的模拟。在某种程度上,我们知道广义相对论并不是所有问题的全部答案,因为有些问题它是无法回答的。因此,有人认为,探索“打破”广义相对论的不同方法,找出其结果,寻找偏差是合理的。在某种程度上,科学家已经这样做了100年。
但这种偏差从未出现过。对于包含标量或向量的广义相对论的替代方案,有很强的限制。引力的速度必须等于光速,如引力速度超过光速,只有通过扭曲物理理论来实现。而且,也许最令人沮丧的是,这些解释暗能量的尝试完全掩盖了一个大问题——如何计算空间自身的零点能量——而根本没有解决它。
暗能量的存在是绝对正确的,支持它存在的证据是压倒一切的,而科学家可以做一个很好的描述暗能量的工作,我们不知道是什么引起它或者它来自哪里。可能是我们现在的引力理论,广义相对论,不太正确,它不正确的具体方式,最终将对暗能量负责。这就是大多数研究修正引力的理论家所指望的。
但这只不过是在沙盘里玩而已。可观测和可测量的试验继续与广义相对论在其未经修改的形式上一致,解释宇宙常数的值在所有版本的引力中仍然是一个无法解释的谜,无论是修改的还是未经修改的。如果你想要解释暗能量,宇宙学常数可以完美地完成这项工作。如果你愿意,你可以做不同的工作,但是要诚实地告诉自己你在做什么:增加一个额外的,不必要的复杂因素来解释一些已经足够复杂的事情。
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