暗能量只有一种吗？

（来源：牧夫天文）也许我们不该将暗能量“鸡蛋”都放在一个篮子里。

Konstantinos Migkas与其合作者在最近的一项研究中估算了宇宙在不同方向上的膨胀率。版权:©波恩大学/ K.Migkas等

 暗能量,这个由我们赋予解释当前宇宙加速膨胀现象的神秘名词到底隐藏着什么,我们还不得而知。许多理论物理学家认为暗能量的驱动力是某种量子场,但这些想法很难与弦理论的见解相协调。

 新的研究则提出了一个激进的解决方案:如果作为宇宙要素的暗能量不止一种,又会如何?这些混合的暗能量或许会对宇宙产生奇特的影响,使其在将来的探测中有可能被发现。

 在未知的黑暗中前行

 我们不仅存在于一个不断膨胀的宇宙中(大约100年前,埃德温·哈勃观测到大多数星系存在的红移现象让我们知道了这一点),而且这个宇宙的膨胀正在加速。在过去大约50亿年的时间里,我们的宇宙膨胀率一直在增加,从而导致宇宙的增长不断加速。

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 坦白地说,我们不知道是什么造成了这种加速膨胀。这个问题大约在20年前研究遥远的超新星时被人们首次关注,从那之后,大量独立的观测结果(包括但不限于:宇宙微波背景,重子声学振荡,巨洞等)都验证了宇宙加速膨胀这一事实。

星系际巨洞地图 图源:Wiki

 为绕开麻烦的现实解释,宇宙学家创造了一个很酷的绰号:暗能量。即使我们连暗能量是什么都还不知道,这多年来理论物理学家们还是做了一些微小的尝试去解释它(因为暗能量必须具备某种物理来源,而解释我们在自然界中所见事物的物理来源是理论物理学家的工作)。

 最吸引人的想法之一是,存在着某种量子场,该场与暗能量有关并维持着它在宇宙间的存在。量子场非常得劲——它们弥散在每一个时空,并负责产生构成我们日常生活的相互作用力和粒子——由此,不妨大胆地想象有这样一个新的量子场,它具备了引发宇宙加速膨胀相对应的属性。

 深陷“沼泽”,如何突围?

 这样一来,暗能量可能是由弥散在整个时空的某种量子场引起的。尽管听起来确实简单有力,但这个假设有一些缺点。要谈缺点,我们就必须谈谈弦理论。

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 弦理论是一种将自然界的所有力统一在一个数学框架下的尝试,这是解释一切的理论。在弦理论中,每个粒子和每个力实际上都是超级微小的弦振动的体现。为了解释丰富且多样物理世界,这些“琴弦”仅在三个维度上振动还不够,它们需要更多空间。为了使弦理论发挥作用,我们的宇宙需要一些额外的维度,这些维度都很小并且会自我蜷缩,而弦可以在其中振动并产生物理作用。这一切都发生在最小的尺度上,因此我们还无法察觉到它的存在。

 弦理论面临的最大难题之一,以及为什么说它不是完备的自然理论,是我们不知道这些多余的维度是怎样蜷缩的。这个过程可能有多达10²⁰⁰ 种构形,并且每种构形都提供了一套新的物理学方法。然而我们仅存在于一个具有一套物理学方法的宇宙中,因此这些构形中只有一种是属于我们的。那又会是哪一种呢?

 弦理论家已经尝试将“细麦”从“谷壳”中分离出来,并且至少将维度蜷缩的某些潜在构形视为“绝对不是这个宇宙”。

 乍看之下,似乎宇宙允许由量子场引起的暗能量与关于弦理论的其他事物不兼容。用行话讲就是,暗能量似乎陷于“沼泽地”中,维度蜷缩可能的构形对其根本不起作用。

 疑云重重

 解决这个难题的一种方法是解释暗能量的存在,并说明弦理论是错误的——毕竟,如果弦理论无法预测包含暗能量的宇宙,那么它可能不适合成为解释一切的理论。

 又或者,我们没有以正确的方式去考虑暗能量。可能有不止一个量子场与暗能量有关,而是好几个量子场协同工作。这并不像看起来那样疯狂。想一想系鞋带的所有复杂过程吧,为什么自然界就一定要是简单明了的呢?

 如果允许多重量子场产生暗能量,那么弦理论在我们的宇宙中可能还有用,因为这样一来这些模型就有可能摆脱陷入“沼泽”的境地。但这就意味着我们必须找到证据证明有多种因素影响着暗能量。

 在这些具有多种暗能量的模型中,暗能量可能会自发聚集,这说明在广袤宇宙中可以找到暗能量低于平均水平和高于平均水平的区域。总体而言,整个宇宙的大尺度效应仍然相同(即加速膨胀),但是某处暗能量过多或者稀缺可能会影响宇宙中最大的结构的发展和演化,如星系团和巨洞。

 现在我们还没有足够高的灵敏度来测量这些差异,但是在未来像NASA的罗曼空间天文台这样的实验研究可能会带给人类新的见解,帮助我们确定我们是否真的身处“沼泽”。