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深度 | 暴胀和暗能量之间有联系吗?


导言

可以大致看到未来事物演变的雏形——莎士比亚《脱爱勒斯与克莱西达》

当我们思考前沿科学知识的时候,我们知道有一些现象存在,但是却无法解释。这些包括物质和反物质的不对称性,宇宙暴胀的起源,暗物质和暗能量,以及其它。而今天要说的是这当中的两个未解之谜:暴胀和暗能量。

宇宙从暴胀演化至今

起先,我们非常确定宇宙经历着膨胀。但它并不需要任何类型的力来驱使。事实上,像我们身处的宇宙是由爱因斯坦的广义相对论所支配,并且充满了物质与辐射。平均而言,宇宙的每个地方、每个方向看起来都一样。在这样的一个宇宙中,我们会得到一个有趣却令人不舒服的结论。这个结论是爱因斯坦自己先发现的:宇宙本质上是不稳定的

百万个星系构成的宇宙大尺度结构

换句话说,我们的宇宙要么是在膨胀,要么是在收缩。但不可能保持静止,除非我们能够虚构出一些新类型的力。

当然,在哈勃的工作之前,除了不知道宇宙正在膨胀,我们甚至不知道天空中的螺旋形状是属于银河系里的物体,还是它们自身构成了整个星系。由于爱因斯坦(跟其他多数人一样)在当时倾向于相信宇宙是静态的,为了确保宇宙处于静态,他在场方程中引进了宇宙学常数(Λ)的概念:

爱因斯坦的广义相对论的中心思想是将物质和能量以及时空几何用方程联系了起来。物质和能量的存在决定了时空的曲率和演化,而弯曲的时空则决定了在时空中每个单独量子物质和能量的命运。

而额外加进去的宇宙学常数项 Λ(方程的左边)则暗示了有一种新的能量,即空间自身固有的能量,导致了宇宙的构造以恒定的速率膨胀着。很明显,物质和能量产生的引力齐心协力的要使宇宙塌缩,但同时宇宙学常数却使宇宙膨胀,如果它们之间正好完全相互抵消,就会得到一个静态的宇宙。

然而,结果是宇宙正在膨胀,并且不需要一个宇宙学常数来抵消引力。取而代之的是一个初始条件,即宇宙在诞生后迅速的膨胀,抵消所有物质和能量产生的引力。宇宙在早期的时候并不是在收缩,而是在膨胀,但是膨胀率却逐渐在放慢脚步。

自1920年代发现宇宙膨胀以来,有两个问题很自然的被提出来了:

  1. 是什么导致宇宙在早期的时候开始迅速膨胀?

  2. 宇宙的最终命运是什么?它会永远的膨胀下去,还是会在某一时刻开始收缩并最终重新塌缩?又或者它会处于某种膨胀与收缩的边界,或其它情况?

第一个问题在超过半个世纪的时间内都没有得到回答。尽管在爱因斯坦提出广义相对论之后,威廉·德希特很快地就研究了爱因斯坦的方程组,并假设宇宙中的物质密度非常低,因此产生的引力与宇宙学常数相比完全可以忽略,所以是宇宙学常数导致了膨胀的开始。

威廉·德希特教授

直到1980年代的早期,阿兰·古斯提出了宇宙暴涨理论。根据该模型,宇宙起初经历了一场指数式的膨胀,宇宙由某些非常像宇宙学常数的东西支配着。现在,它不可能是真正的宇宙学常数(也被称作真空能量),因为宇宙并没有永远的保持在那个状态。宇宙很可能处于一个伪真空的状态,在这个状态下,空间本身拥有一些固有能量,之后会衰变至低能状态,导致了物质和辐射就出现,即热大爆炸!

阿兰·古斯1979年的笔记本

暴胀模型有五个非常重要的预言,其中四个已经被确定,因此我们相信宇宙早期的确存在一个暴胀时期。

但是,当我们面对第二个问题的时候,即宇宙的最终命运,我们发现一些非常奇怪的结果。我们先前预期的是一场初始、快速膨胀和引力之间的竞争,结果我们却发现了一种新形式的能量,称之为暗能量。我们目前所能知道的是,暗能量是一种跟宇宙学常数相同的形式。

宇宙的膨胀在早期慢慢减速,在50多亿年前开始加速。未来的宇宙是继续一直膨胀下去,还是大塌缩或者大撕裂,我们还不得而知

现在我们有两种类型的指数式膨胀,一个存在于宇宙早期,一个存在于现在,两种膨胀非常的不同:

  • 早期的暴胀只持续了极其短的时间,大约10?33秒,而暗能量则已经支配宇宙50多亿年。

  • 早期的暴胀非常的迅速,宇宙的膨胀率要比今天的高出10??倍。相比之下,暗能量只对今天的膨胀率只做出了70%的贡献。

  • 如果量子场论是对的,在能量非常高的早期,存在着“暴胀子”粒子,应该会与物质和辐射耦合。而暗能量不与任何东西耦合。

右上至下:闭合减速的宇宙;平坦减速的宇宙;开放减速的宇宙;平坦加速的宇宙

但它们之间也有些相似的地方:

  • 它们都有相同(或无法区分)的状态方程,这意味着这两者的宇宙的尺度和时间之间的关系相一致。

  • 它们都有着同样的能量密度和压力之间的联系。

  • 它们都导致同样的指数式膨胀。

宇宙暴胀

但是它们之间有联系吗?这很难说。当然,这其中的原因是我们对暴胀和暗能量都没有足够的理解。现在我们来想象一个大瓶装的百事可乐,瓶子里有部分的可乐。想象你从瓶口滴入一滴油会浮在可乐表面。这便是高能量状态,好比是宇宙在经历暴胀。接着发生了某些事情把瓶里的可乐都抽干。那一滴油就沉入底部,也就是低能量状态。但是,如果这滴油并没有在瓶子的最底端,而是处于某些有限,非零的值(就像是对称破缺的希格斯场),它就可以作为暗能量。把暴胀场和暗能量场连接在一起的模型一般被称为“精质”(Quintessence)。所谓的精质其实是一个简单的标量场,但目前自然界中还没发现基本标量场。尽管粒子物理标准模型中有希格斯标量粒子;弦理论中也存在大量的标量场。

精质有一系列的模型,而现在我们所能做的是通过对早期和晚期的膨胀率观测来筛选不同的模型。虽然很不愿意说“我们不知道它们之间是否存在联系”,但这就是目前的状况。

尽管已经提出了许多观测项目,比如James Webb,WFIRST,LISA和ILC,但是这个问题解决方法在短期内应该是无法通过观测数据分析得出。我们只能寄厚望于一个横空出世的理论突破打破目前的僵局。

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来自:红豆居士  > 物理学
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