同一個(gè)標(biāo)量場(chǎng)！新宇宙學(xué)模型認(rèn)為宇宙膨脹與暴脹源自同種機(jī)制

近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所中科院量子光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出了一種新的宇宙學(xué)模型，該模型把驅(qū)動(dòng)宇宙現(xiàn)今加速膨脹的物理機(jī)制和宇宙早期暴脹的物理機(jī)制統(tǒng)一描述為同一個(gè)標(biāo)量場(chǎng)，并用空間曲率為正的封閉空間解釋了普朗克衛(wèi)星在2018年報(bào)道的天文觀測(cè)結(jié)果。相關(guān)研究成果發(fā)表于最新一期《物理評(píng)論D》上。

早在上世紀(jì)80年代末,諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主溫伯格(Weinberger)就曾指出宇宙學(xué)常數(shù)問(wèn)題是物理學(xué)面臨的最大危機(jī)。一方面是因?yàn)?，量子?chǎng)論表明的所謂真空，即量子場(chǎng)的能量最低態(tài)的能量密度因零點(diǎn)能的存在而非常之大甚至趨于無(wú)窮大;另一方面天文觀測(cè)表明，基于廣義相對(duì)論的宇宙模型無(wú)物質(zhì)的真空的能量密度(在廣義相對(duì)論中叫宇宙學(xué)常數(shù))非常小，或許就是零。

到了上世紀(jì)90年代末，宇宙學(xué)常數(shù)問(wèn)題發(fā)生了更加令人困惑的戲劇性變化。自1998年起，天文學(xué)和物理學(xué)界已確認(rèn)，宇宙的膨脹已經(jīng)從過(guò)去的減速膨脹進(jìn)入當(dāng)今的加速膨脹階段?？茖W(xué)家把這個(gè)同萬(wàn)有引力相反的驅(qū)動(dòng)力歸結(jié)于一個(gè)非常小的真空能量密度，也就是一個(gè)非零的宇宙學(xué)常數(shù)，并稱之為暗能量。但暗能量到底是什么，一直得不到物理解釋。因此，暗能量的物理解釋成為宇宙學(xué)和粒子物理學(xué)面臨的最大挑戰(zhàn)。換句話說(shuō)，宇宙學(xué)常數(shù)造成的幾何引力論和量子場(chǎng)論的概念沖突，已經(jīng)成為基礎(chǔ)物理學(xué)中的最大問(wèn)題。

包括諾獎(jiǎng)得主詹姆斯·皮布爾斯(JamesPeebles)在內(nèi)，許多科學(xué)家利用一個(gè)具有負(fù)壓特性的標(biāo)量場(chǎng)來(lái)解釋暗能量，它常常被稱為“精質(zhì)”(quintessence)以區(qū)別于普通物質(zhì)和電磁場(chǎng)。但是，同物質(zhì)無(wú)耦合的精質(zhì)模型無(wú)法規(guī)避溫伯格的“no-go”定理。之后，人們又提出了耦合于物質(zhì)的所謂變色龍暗能量模型。非常遺憾，在提出變色龍機(jī)制數(shù)年后,其提出者又證明了變色龍“no-go”定理，并推論說(shuō)變色龍模型不能解決宇宙的加速膨脹問(wèn)題，即不能解決宇宙學(xué)常數(shù)問(wèn)題。

研究人員提出了標(biāo)量場(chǎng)和物質(zhì)的作用勢(shì)的對(duì)稱性破缺模型，該模型指出了變色龍“no-go”定理推論的錯(cuò)誤，同時(shí)也規(guī)避了溫伯格的“no-go”定理。變色龍“no-go”定理的提出者，以及后續(xù)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家認(rèn)為，要解釋宇宙的加速膨脹需要長(zhǎng)程力。

該項(xiàng)研究則指出，是標(biāo)量場(chǎng)的負(fù)壓強(qiáng)而非其梯度力驅(qū)動(dòng)宇宙的加速膨脹，所以依靠長(zhǎng)程作用力驅(qū)動(dòng)宇宙加速膨脹的觀念是不正確的，并證明無(wú)論是現(xiàn)今的宇宙加速膨脹和宇宙暴脹都可用一個(gè)標(biāo)量場(chǎng)描述。由于標(biāo)量場(chǎng)受到對(duì)稱性破缺的相互作用，所以標(biāo)量場(chǎng)的自作用勢(shì)在有效勢(shì)的極小值點(diǎn)的取值就扮演了宇宙學(xué)常數(shù)的角色。

此外，研究人員還利用2018年普朗克衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)中關(guān)于宇宙暴脹勢(shì)的凹形特征得出我們的宇宙是封閉的結(jié)論。在滿足宇宙學(xué)參數(shù)的約束下，得到了物質(zhì)誘導(dǎo)標(biāo)量場(chǎng)所產(chǎn)生的第五種力。第五種力的大小和作用范圍都是與環(huán)境的物質(zhì)密度密切相關(guān)的。

以當(dāng)下的宇宙物質(zhì)密度為例，這個(gè)作用強(qiáng)度比萬(wàn)有引力大30多個(gè)量級(jí)，而作用力程在微米量級(jí)。由于力程甚短，所以很難在現(xiàn)有的天文觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)方案中觀測(cè)到，從而收斂到太陽(yáng)系的觀測(cè)和廣義相對(duì)論一致的結(jié)果。但由于其強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于萬(wàn)有引力，只要科研人員巧妙設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)就有可能探測(cè)第五種力。(通訊員李沙沙記者王春)

關(guān)鍵詞： 宇宙膨脹 暴脹