中國科學家提出宇宙學新模型


中國科學院上海光學精密機械研究所量子光學重點實驗室研究員張海潮提出了一種新的宇宙學模型,該模型把驅動宇宙現今加速膨脹的物理機制和宇宙早期暴脹的物理機制統一描述為同一個標量場,並用空間曲率為正的封閉空間解釋了歐洲太空總署普朗克(Planck)衛星2018報導的天文觀測結果。

人們通常會認為,物理學對大自然的認識是協調一致的。其實,物理學的兩大分支重力論和量子論存在著嚴重的觀念衝突。其中最為嚴重的就是真空的能量密度在兩種理論中差別巨大。這叫做宇宙學常數問題。愛因斯坦的廣義相對論是對牛頓萬有引力理論的改進。非常奇特的是,在廣義相對論中壓強和能量密度一樣,都產生重力效應。宇宙學常數表現出排斥效應。

所以,科學家希望給宇宙學常數以解釋,以協調這一觀念衝突。物理學家發現標量場就具有負壓強的特點。如果其動能可以忽略的話,其勢能即可模擬宇宙學常數。但是,同物質無耦合的標量場模型無法規避溫伯格(Weinberger)的不可行定理(no-go theorem)。這是因為,如果標量場處於能量最低處不動,那就必須賦予該處的標量場的能量密度值為宇宙學常數所折算的能量密度。而能量最低處就是物理學所說的真空。這樣,又回到了上述困難,解決方案變成了同義反覆,所以溫伯格認為利用標量場並沒有解決實質問題,此路不通。之後,人們又提出了耦合於物質的標量場模型,最著名例子是所謂變色龍暗能量模型。非常遺憾,其提出者不久就發現了變色龍不可行定理,其實質是說耦合於物質的標量場模型不能解決宇宙的加速膨脹問題,即不能解決宇宙學常數問題。

為此,上海光機所研究人員提出了標量場和物質的作用勢的對稱性破缺模型,該模型指出了變色龍不可行定理的推論的錯誤,同時也規避了溫伯格的不可行定理。變色龍不可行定理的提出者,以及後續的實驗物理學家錯誤地認為,要解釋宇宙的加速膨脹需要長程力。研究人員指出,是標量場的負壓強而非其梯度力驅動宇宙的加速膨脹,所以依靠長程作用力驅動宇宙加速膨脹的觀念是不正確的,並證明無論是現今的宇宙加速膨脹和宇宙暴脹都可用一個標量場描述。由於標量場受到對稱性破缺的相互作用勢釘扎,所以標量場的自作用勢在有效勢的極小值點的取值就扮演了宇宙學常數的角色。此外,應用普朗克2018數據中關於宇宙暴脹勢的凹形特徵得出我們的宇宙是封閉的結論。在滿足宇宙學參數的約束下,得到了物質誘導標量場所產生的第五種力。

第五種力的的大小和作用範圍都是與環境的物質密度密切相關的。以當下的宇宙物質密度為例,這個作用強度比萬有引力大三十多個量級,而作用力程在微米量級。由於力程甚短,所以很難在現有的天文觀測和實驗方案中觀測到,從而收斂到太陽系的觀測和廣義相對論一致的結果。但張海潮表示,由於其強度遠遠大於萬有引力,只要巧妙的設計實驗就有可能探測第五種力。

【圖:互聯網;文:節錄自科學網頁;新聞訊息由林景明提供】

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