宇宙的终极命运究竟如何?先解开暗能量的谜团(3)

2018-01-04 09:55 来源:网络整理 

  早在宇宙加速膨胀被发现之前,诺贝尔奖得主、美国理论物理学家Steven Weinberg就利用人择原理进行推理,得到了宇宙学常数的一个合理的上限值,与目前的观测值是一致的(人择推理上限值是观测值的约100倍,这已经比量子场论的计算结果好太多)。当然,很多人非常不赞同利用人择原理进行推理的方式,认为这绝不能算是研究科学的方法。这种争论一直在延续。

  人择原理得以应用的前提是多重宇宙绘景的存在。多重宇宙这一图景在宇宙学中是非常迷人的,它可以在暴胀理论中以一种很自然的方式产生出来。暴胀描述的是宇宙刚诞生时发生的一个极短暂的过程,在不到10^-30秒的时间内,宇宙的尺寸被这一过程从极度微观的尺度拉伸到宏观尺度(约为厘米尺度)。在暴胀过程中,由于量子力学施加影响,在整个宇宙中产生了各种尺度的原始的密度扰动和引力波。这种原始的密度扰动就成为后来宇宙中各种结构形成的种子。目前为止,暴胀理论与宇宙学的各种观测都是一致的(但如果想以确定的方式验证该理论则需要探测到原初引力波)。在暴胀宇宙学中有一类模型叫做“永恒暴胀”,它是说宇宙的暴胀一直在持续中,某些区域暴胀停止了,形成类似于我们宇宙的“可观测宇宙”,但大部分区域一直在持续暴胀,这个永恒持续的暴胀过程产生了无数的大大小小、各式各样的可观测宇宙,它们中的物理学基本常数可能是不同的,这些宇宙组成了一个规模巨大的宇宙系统,即多重宇宙(被称为“暴胀多重宇宙”)。其实,在超弦理论中也可以得到多重宇宙的图景。超弦理论的研究发现,存在数量巨大的不同的真空态(数量多达惊人的10^500之巨),每一个真空态对应于一个可观测宇宙,也形成了一个多重宇宙系统。

  永恒暴胀模型产生多重宇宙绘景。这类模型说宇宙的暴胀一直在持续中,某些区域暴胀停止了,形成类似于我们宇宙的“可观测宇宙”,但大部分区域一直在持续暴胀,这个永恒持续的暴胀过程产生了无数的大大小小、各式各样的可观测宇宙,它们中的物理学基本常数可能是不同的,这些宇宙组成了一个规模巨大的宇宙系统,即多重宇宙(被称为“暴胀多重宇宙”)。图片来源:见图片注释。  但问题是,如何利用观测来验证这样的多重宇宙图景?多年来,人们一直在试图寻找多重宇宙的观测证据,认为它或许可以在宇宙微波背景或大尺度结构中留下某种特定的痕迹。这种努力一直在继续,希望有观测能够证实或证伪多重宇宙。这将是人类对“天外有天”的深刻认识,是宇宙学的重大突破,也对人择原理的宇宙学应用提供巨大支持。

  暗能量与宇宙的最终命运

  在有些人看来,宇宙学常数和暗能量是一个意思。原因主要有两点:(1)爱因斯坦引力场方程中允许包含宇宙学常数项,它可以自然地产生排斥性万有引力,从而可以解释宇宙的加速膨胀现象。(2)从观测的角度讲,在目前的观测精度下,看起来所有的观测数据都与宇宙学常数假设是相符的。但是,更主流的观点认为,宇宙学常数只是暗能量的可能候选者之一,当然它是头号候选者。正如前面已经讨论过的,人们至今无法从理论上理解宇宙学常数为什么这么小。这也正是人们试图寻找宇宙学常数的替代方案的原因之一。

  暗能量具有更广泛的涵义。我们把宇宙中能够产生负压强并由此推动宇宙加速膨胀的能量成分称为“暗能量”。观测表明,当前暗能量占宇宙总能量的约70%左右,因此暗能量正在主导宇宙的演化。用w来表示暗能量压强与密度之比,称为暗能量状态方程参数,它是一个负值(在自然单位制下,压强与密度量纲相同,因此w是一个无量纲的量)。只有在暗能量主导宇宙的演化且w小于-1/3的情况下,宇宙的膨胀才可能发生加速。对于宇宙学常数来说,它的压强等于能量密度的负值,因此有w=-1。这种能量成分在宇宙演化中始终保持为常数,而其他物质都随宇宙膨胀而稀释,因此在未来,在可观测宇宙中物质会被稀释殆尽,而宇宙学常数会完全主导宇宙的演化。当宇宙中空无一物,只剩下宇宙学常数(真空能)时,宇宙的演化会呈现指数膨胀的规律,这样的时空被称为德西特时空。

  除了宇宙学常数之外,人们也在积极考虑暗能量的其他候选者。暗能量也可能源于某种空间分布均匀的能量场(通常认为是标量场,也就是在空间的每一点只有数值而没有方向的场)。如果暗能量是一种弥漫在整个宇宙中的均匀的场,那么它就不可能始终保持为一个常数,而是随着宇宙的膨胀非常缓慢地发生变化。通常来讲,这种标量场的能量密度随宇宙膨胀而稀释,但是稀释得异常缓慢,因此在某种程度上也模拟了宇宙学常数的效果。这种场被称为“精质”,其w随宇宙演化而变化,但始终保持w>-1。