华尔街的格言“贪婪是好事”可能很快会被宇宙学家采用来解释暗能量的起源,暗能量是一种神秘的实体,正在加速宇宙的膨胀。
在上周于英国剑桥举行的宇宙学会议上,与会者讨论了一类有争议的理论,在这些理论中,引力是由一个假设的、具有微小但非零质量的“引力子”粒子携带的。 这种粒子倾向于从空间结构中吞噬大量的能量,使宇宙能够以加速但并非破坏性的速度膨胀。
自从天文学家在 20 世纪 90 年代末发现宇宙的膨胀正在加速以来,研究人员一直在努力解释不仅是导致加速的假设实体(被称为暗能量)的本质,而且还有为什么加速如此微弱。
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他们最好的猜测之一是,暗能量是空间真空的固有属性。 粒子物理学预测了这种真空能量的存在,但也预测它应该比解释天文学家观察到的加速所需的能量大 10120倍。 如果暗能量如此巨大,宇宙早在恒星和星系形成之前就被撕裂了。
2010 年,俄亥俄州克利夫兰凯斯西储大学的宇宙学家克劳迪娅·德·拉姆 (Claudia de Rham) 和她的同事提出了一个令人惊讶的建议,即如果大部分真空能量被假设的“引力子”粒子吞噬,那么暗能量可能就是真空能量。 物理学家普遍认为,应该存在被称为引力子的基本粒子来携带引力,正如已知有类似的粒子携带自然界的其他三种基本力一样:电磁力; 支配放射性的弱核力; 以及将原子核内的亚原子粒子粘合在一起的强核力。
力的作用范围受其粒子质量的控制。 例如,电磁力由无质量的光粒子或光子携带,使其具有无限的范围,而携带弱核力的 W 和 Z 粒子都具有质量,并且它们的作用范围被限制在亚原子相互作用的尺度上。
大多数物理学家认为引力子会像光子一样没有质量,这样引力的作用范围就可以扩展到整个宇宙。“我们知道引力是长程的,因为我们感受到来自太阳的引力——这设定了引力子可能有多大的界限,”德·拉姆说。 然而,她和她的同事意识到,如果引力子被赋予小于 10-33电子伏特的微小质量,它仍然可以与所有天文观测结果相符。(相比之下,中微子是已知质量最小的非零质量粒子,质量约为 1 电子伏特,而电子的质量约为 511,000 电子伏特。)
一个有质量的(而不是无质量的)引力子会通过吞噬几乎所有的真空能量来获得它的质量,只留下少部分作为暗能量来导致宇宙向外加速膨胀。
黑暗的谜团
纽约大学的宇宙学家马克·怀曼 (Mark Wyman) 说,当德·拉姆的团队首次公开他们的引力子模型时,它立即引起了轰动,因为暗能量难题的良好解决方案太少了。“突然出现了一类真正有机会解决这个问题的理论,”他说。 此外,有质量的引力子将解释宇宙的最大谜团,而无需添加新的奇异粒子或额外的空间维度,使之成为德·拉姆所描述的“极简主义解决方案”。
但这个想法几乎“夭折了”,怀曼补充说,因为物理学家开始仔细研究它并发现了可能存在的问题。一个担忧是,该理论可能包含隐藏的“幽灵”——包含负能量并且在现实中无法存在的场——但其他人对这一担忧提出了挑战。“我们使用术语幽灵是因为它们非常可怕,如果它们存在,就会破坏任何理论,”德·拉姆说,她仍然坚信她的模型没有幽灵。
研究人员已经提出了许多德·拉姆最初主题的无幽灵变体。 例如,2011 年,斯德哥尔摩大学的宇宙学家赛义德·法瓦德·哈桑 (Sayed Fawad Hassan) 和纽约哥伦比亚大学的瑞秋·罗森 (Rachel Rosen) 提出在一个模型中结合两种类型的引力子,一种有质量,另一种无质量。 然而,这将需要一个宇宙,其空间由两个相互作用的重叠结构组成。
在剑桥会议上,包括德·拉姆在内的几位宇宙学家独立地提出了一系列模型,在这些模型中,两个结构之间的相互作用可以自然地设定时空加速。 这将通过一种不需要任何真空能量的替代机制产生天文学家观测到的暗能量效应。
德·拉姆说,这些理论能否成立的关键将是计算它们是否做出可检验的预测,以区分有质量的引力与标准宇宙学。 这样的实验可能很快在太阳系内进行,因为有质量的引力模型预测地球和月球之间的引力场与普通引力的引力场略有不同。 这将在月球绕地球轨道运行的进动中产生 1/1012 的可检测差异。
在地球和月球上留下的镜子之间来回发射激光的实验目前以 1/1011 的精度测量两个物体之间的距离和角度。“我们正处于能够测试有质量的引力的边缘,”德·拉姆说。
然而,在找到这样的实验证据之前,有些人仍然对整个有质量的引力概念持怀疑态度。 德国慕尼黑路德维希-马克西米利安大学的宇宙学家维亚切斯拉夫·穆哈诺夫 (Viatcheslav Mukhanov) 说,尽管他最初被有质量的引力理论的简单性所吸引,但添加新的时空和添加额外的引力子使其过于牵强。“我认为暗能量问题需要一个更优雅的解决方案,”他说。
但优雅是一种品味问题,怀曼说。“如果他们能确定一个独特的、引人注目的模型来解释暗能量,我认为人们会不得不注意到,”他说。“未来几个月发生的事情将决定该理论是否与现实世界有任何关联,或者它是否只是一时的流行。”