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如果能量不守恒......

2017-01-21

关键词: 暗能量,能量不守恒,广义相对论宇宙学常数,广义协变性,幺模引力。

当我们谈论起物理学的前沿研究时,我们知道有些现象存在(至少是从现有的观测或实验证据得出),但是却无法解释背后的原因。



△ 通缉要犯:暗能量!(图片来源:Artwork by Sandbox Studio, Chicago

如果你问我什么是暗能量?最简单的回答就是“不知道”,因为这是物理学中最大的谜题之一。

理论家为此绞尽脑汁,提出了许多可能性。最近,三位物理学家提出了一个新的理论来解释暗能量。他们认为暗能量的产生是因为宇宙中的总能量并不是固定的,或说“不守恒”,而是会逐渐地消失。

这听起来似乎是不可能,因为能量守恒在物理学中的像一条铁律般存在。但历史上也不是没有人提出来过,其中一位便是量子力学的教父尼尔斯·玻尔。为了挽救β衰变的危机,玻尔提出如果能量不守恒问题就迎刃而解了,他的想法遭到了天才沃尔夫冈·泡利的强烈不满。泡利当时提出了一种全新的粒子——中微子(提出的26年后被找到)来解释β衰变,从而挽救了能量守恒。



△ 左:尼尔斯·玻尔;右:沃尔夫冈·泡利。

为了理解了解这个新理论的基本思想,我们先从暗能量说起。

我们并不知道暗能量确切是什么,或许它是一个新的场,有点像我们熟知的电场,弥漫在整个空间。又或者,它其实是空间自身的一部分——一种真空固有的压强,叫做宇宙学常数

事实上,是爱因斯坦在广义相对论中引进了宇宙学常数(Λ)的概念——在方程中加入了一项常数项——来解释宇宙是如何抵抗自身的引力而不坍缩。但是,到了1920年代他放弃了这个想法,因为天文学家发现宇宙并不是静态的,而是膨胀的。

△ 爱因斯坦场方程:左边取决于时空的形状,右边则追踪能量和动量的分布。正如惠勒总结的:空间(方程左边)告诉物质如何运动,物质(右边)则告诉空间如何弯曲。为了描述静态宇宙,爱因斯坦在场方程中引进了宇宙学常数(Λ)。

到了1990年代末,天文学家发现宇宙不仅膨胀,而且是加速膨胀,宇宙学常数才得到了复兴。但是,当我们考虑到量子力学的时候,事情就变得棘手了。根据量子力学,真空本身会有微小的涨落。在广义相对论里,这些微小的量子涨落会产生能量,可以充当宇宙学常数的角色。这个想法非常有吸引力,但是,基于量子力学计算的真空涨落的值要比实际观测的能量密度要高出120个数量级,这个结果被惊叹为“物理史上最糟糕的理论预测”。这便是宇宙学常数问题,一直困惑着物理学家。

现在,法国艾克斯-马赛大学的Thibault Josset和Alejandro Perez ,以及墨西哥国立自治大学的Daniel Sudarsky 找到了一个方法,可以给出合理的宇宙学常数的值。他们的出发点是广义相对论的替代模型,是爱因斯坦发明的幺模引力(unimodular gravity)。

广义相对论假设了一个数学对称性,叫做广义协变性(general covariance),意思是说无论你怎么标注时空坐标——比如事件的位置和时间——理论所作出的预言都是一样的。这个对称性的直接结果就是能量和动量必须守恒。然而,幺模引力并没有严格遵守该数学对称。

幺模引力重复了广义相对论的大多数预言。但是,在这个理论中真空量子涨落并不产生引力,或增加宇宙学常数。而宇宙学常数再次只是一个常数,并且可以被调到所需要的值。但是,这需要付出代价。幺模引力并不需要能量守恒,因此理论家就必须任意的施加限制。

现在,Josset、Perez和Sudarsky发现,只要允许破坏能量和动量守恒,它就可以设置宇宙学常数的值。他们的论据是基于数学的,但基本上宇宙中一点点消失的能量会体现在逐渐改变宇宙学常数。

Perez说:“在这个模型中,暗能量就像是某种东西,一直跟踪在宇宙的历史中损失了多少能量和动量。”

要证明这个理论有两种可能的方法。举个例子,有一种叫连续自发局域化(CSL)的理论,试图解释为什么一个亚原子粒子(比如电子)可以同时在两个地方,而一个大的物体(比如你开的车)就不行。但对CSL的质疑来自它违反了能量守恒,因此它可以当做新暗能量理论的框架。理论家计算出被违反的能量守恒的总量正好给出宇宙学常数需要的值。

其他理论物理学家对他们的工作有不同的看法。

加拿大圆周理论物理研究所的Lee Smolin认为这是个很有意思的假设,因为在这之前,没有任何人把暗能量和违反能量守恒联系在一起。

然而,诺丁汉大学的Antonio Padilla却不同意,认为他们只是在玩数学的把戏。Padilla认为他们仍然需要假设宇宙学常数从一个较小的值开始,而他们并没有解释。但对于该看法,南非开普敦大学的George Ellis却认为物理学中充满了未解释的常数,比如电荷或光速,这只是在长长的列表中多加了一个。

Padilla也认为他们的工作跟大尺度的现象不应该取决于小尺度的现象的想法相矛盾。但Smolin反驳道,宇宙学常数问题早已联系了宇宙和量子领域,因此这个新想法值得继续探索。

撰文:Adrian Cho

编译:正恩

参考来源:

【1】http://www.sciencemag.org/news/2017/01/simple-explanation-mysterious-space-stretching-dark-energy

【2】

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来自:乐读doc  > 科技
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