宇宙的终极命运究竟如何?先解开暗能量的谜团(2)

2018-01-04 09:55 来源:网络整理 

  从量子理论的角度考虑,人们发现宇宙学常数等效于真空能密度。量子理论认为“真空不空”。量子力学的测不准原理告诉我们,没有什么东西是静止的、平静的,所有的东西都有“量子抖动”,空间本身也不例外。在越小的空间尺度下,这种“量子抖动”(量子涨落)越剧烈。有一种形象的说法,说真空是“沸腾”的,就是说,真空中充斥着大量的“虚”粒子对(各种粒子与它的反粒子),它们不断地产生并迅速湮灭,这些转瞬即逝的粒子也携带着能量,而且在越小的空间尺度下,这一过程越剧烈。将这些能量加起来,就得到了真空的能量。

  按照量子场论,可以算出真空能密度,其结果表明:(1)真空能密度为常数,因此它与宇宙学常数完全等效。一个不随宇宙膨胀而稀释的常数能量密度,它的压强是负的(按自然单位制,等于负的能量密度),因而产生排斥性的万有引力。(2)由于在越小的尺度下量子涨落越剧烈,因此看起来真空能密度是发散的。经过长时间思考,物理学家一致认为空间存在一个最小的尺度,就是普朗克尺度(10^-33厘米),在这个尺度以下,空间没有定义。也就是说,普朗克尺度是空间的不可再分的体像素或原子。将量子涨落的考虑截止在普朗克尺度,就可以得到一个有限大小的真空能密度的值。但是这个值非常巨大。而宇宙加速膨胀的观测数据所要求的宇宙学常数的值却非常小。二者相差了约120个数量级!这是科学史中没有出现过的理论与实验的巨大差异。

  通常认为,空间中存在一个“裸”的宇宙学常数,真空能密度与其相互抵消,得到一个很小的、符合实际观测结果的有效宇宙学常数。但这个想法也存在困难:两个大数相消得到一个小数需要精细调节,在当前情况,需要二者在小数点后面120个位数上都相符,太难以思议。这个问题被称为宇宙学常数的“精细调节问题”。

  还有另一个疑难问题,被称为“宇宙巧合问题”。宇宙中的辐射(相对论性粒子,主要是光子)和物质(非相对论性粒子,即冷暗物质、原子物质等)都随着宇宙的膨胀而稀释(辐射密度比物质密度稀释更快),但是宇宙学常数(或真空能密度)不随宇宙膨胀而改变。宇宙学常数在早期完全不重要,与辐射密度或者物质密度相比都相差至少几十个数量级,但刚好在今天,即宇宙中已形成结构并出现智慧生命(观测者)时,宇宙学常数(真空能密度)开始变得重要起来,与物质密度处于同一数量级(在今天,辐射密度已几乎为零)。这看起来像是个巧合。如果宇宙学常数略大一点,它产生的斥力就会足以阻止宇宙结构的形成,因此也就不会产生人类观测者。如果宇宙学常数略小一点,那么今天它还是完全不重要,也不会推动宇宙加速膨胀。这就是所谓的“宇宙巧合问题”。

  宇宙学常数问题非常困难,至今无解。它说明当前的物理学理论不能令人满意,还是不完备的。这个问题也反映了量子力学与广义相对论的不相容,并昭示着二者必须统一起来才可能得到一个令人满意的物理学。

  眼下宇宙学常数问题之所以出现,可能是因为我们不懂量子引力理论。由于量子场论中不能考虑引力,利用该理论算出来的真空能密度就可能严重偏离现实。可以想象,如果有了一个完整的量子引力理论,那么从中得到的宇宙学常数的值就可能与观测值是完全一致的。因此,宇宙学常数问题折射出引力的量子理论的重要性。

  多重宇宙与人择原理

  宇宙很大。宇宙可能比我们想象的还要大。很有可能类似于我们这样的可观测宇宙还有很多很多。在这些各式各样的“可观测宇宙”中,物理的基本常数可能都是不同的。这里,物理基本常数是指不是由物理学基本定律决定的量,比如,宇宙学常数就是基本常数之一。这些基本常数在这个巨大的宇宙系统中有一个分布,在不同的可观测宇宙中有不同的值。这就是多重宇宙的绘景。

  在多重宇宙中,每个宇宙中有不同的宇宙学常数。如果在一个宇宙中,宇宙学常数很大,那么它的更大的排斥力会过早地导致宇宙加速膨胀,以至于星系、星系团等宇宙结构没有足够时间形成,当然就不会有像人类这样的智慧生命出现。宇宙中没有人类(智慧生命),就不会有人问宇宙学常数有多大这样的问题。只有在一个宇宙学常数足够小的宇宙中,星系等结构才得以形成,人类才可能出现,我们才有机会发现我们处于这样的一个宇宙中。这就是人择原理。