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暗能量可能潜伏在宇宙的虚无之中

agsandrew/Shutterstock)

一项新的研究可能有助于揭示暗能量的本质,暗能量是推动宇宙向外膨胀的神秘物质。一个新的假设认为,暗能量可能是从虚无空间的波动中产生的。

这个概念反过来也可以解释为什么宇宙常数,一个阿尔伯特·爱因斯坦创造的数学常数,也就是著名的“他一生中最大的错误”会得到它的价值。[8现实生活中爱因斯坦相对论的解释]

这项新的研究提出,膨胀是由真空所携带的能量的涨落,或是没有物质的空间区域所驱动的。研究合著者、加拿大不列颠哥伦比亚大学(UBC)博士生王清迪(音译)说,这种波动产生了压力,迫使空间自身膨胀,使得物质和能量随着宇宙年龄的增长而密度降低。

加速宇宙

科学家称之为推动宇宙膨胀的力量常数(尽管严格意义上它不是“力”)。这个常数就是空间本身的能量密度。如果它大于零,那么描述时空结构的爱因斯坦相对论方程就意味着宇宙正在膨胀。上世纪90年代末,对遥远超新星的测量表明,宇宙正在加速,而不仅仅是膨胀。宇宙学家称驱动这种加速的能量为暗能量。不管暗能量是什么,它比物质或暗物质消散得更慢,而且在重力的影响下它们不会像任何一个那样聚集在一起。

这种加速对物理学家来说是一个很大的难题,因为它与量子场论的预测相矛盾,量子场论是描述最小亚原子粒子的相互作用。量子场理论预测真空能量太大,宇宙根本不应该存在,苏格兰爱丁堡皇家天文台博士后研究员Lucas Lombriser说,他没有参与这项新研究。这种差异被称为“旧的”宇宙学常数问题,物理学家普遍认为,一旦发现新的物理,宇宙学常数就会消失;膨胀会以其他方式解释。

然而,当科学家发现加速膨胀时,就出现了一个新的问题。根据理论计算,宇宙常数应该比它大50到120个数量级,膨胀率也相应地大,Lombriser说,

本质上,宇宙的能量密度(单位体积有多少能量)应该是巨大的,很明显,这并不是

在空白空间的波动

,这项新的工作不仅解决了暗能量是什么,而且也解决了为什么宇宙膨胀率有它的价值。

“每个人都想知道暗能量是什么,”王告诉《生活科学》我更仔细地重新考虑了这个问题,“从宇宙能量密度的角度,”

“,”

“,”

“,”

“王和他的同事们认为现代量子场论关于能量密度非常大是正确的,但是真空涨落,或者说真空的运动,在小尺度上是非常大的,接近所谓的普朗克长度,即1.62×10^35米。它太小了,一个质子要大1亿万亿倍。

“太空中的每一个点都在经历膨胀和收缩,”他说但它看起来很光滑,就像一张桌子从远处看起来很光滑。

在王的公式中,真空波动就像秋千上的孩子在抽动他们的腿。即使没有人推他们,他们也设法在秋千上增加额外的能量,使秋千上升到比平时更高的位置。这种现象被称为参数共振,这基本上意味着系统的某一部分——膨胀和收缩,或者孩子的腿的摆动——会随着时间而变化。在这种情况下,宇宙中很小一部分的密度正在发生变化,王说,

由于涨落是宇宙的一小部分在膨胀和收缩,这种微小的共振在宇宙学尺度上累积起来,他说。所以宇宙膨胀了。(空间的膨胀和收缩并不违反守恒定律,因为空间本身正在做膨胀)。

由于王的 ... ,不需要任何新的场,就像在一些暗能量模型中一样。相反,宇宙的膨胀与量子场论已经预测的大致相同。

观测需要

,而王的想法是一个好主意,这并不意味着故事就要结束了,Lombriser说。他在一封电子邮件中说:“问题是,对宇宙的观测是否证明了这一理论的正确性。到目前为止,他们可以辩称,真空对观测到的东西的贡献是正确的(如果它成立的话,这已经是一个巨大的成功了。”他们还没有对精确的观测值做出准确的预测,但这是他们打算在未来的工作中进一步研究的问题。

其他物理学家则持怀疑态度。

在这些高能尺度上,经典广义相对论不再工作,但这就是他们所使用的。所以,它们的近似是有趣的,但它不是很有道理的,因为在这个极限中,我们应该使用量子引力(一种我们没有的理论),”德国法兰克福高级研究所的研究员Sabine Hossenfelder说。这项研究的合著者、UBC的物理学家威廉•安鲁说:

“这篇论文只是这一过程中的第一步。”但我认为这条路值得我们去探索,因为我们的研究结果是有启发性的。

这项研究发表在5月15日出版的《物理评论》杂志上,而

最初发表在《生命科学》上

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