一個(gè)世紀(jì)前愛因斯坦廣義相對(duì)論中提出的“宇宙學(xué)常數(shù)”是物理學(xué)家的“眼中釘”，該常數(shù)理論預(yù)測(cè)與基于天文觀測(cè)結(jié)果之間的差值約達(dá)10^121個(gè)數(shù)量級(jí)。這一預(yù)測(cè)被認(rèn)為是整個(gè)物理史上最糟糕的預(yù)測(cè)，但這并不令人驚訝。

在發(fā)表在《物理快報(bào)B》上的一項(xiàng)研究中，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)科學(xué)家提出了一種似乎可以解決這種不一致的方法。研究的最初想法是接受另一個(gè)常數(shù)——牛頓的萬有引力G，它也是廣義相對(duì)論方程的一部分，可能會(huì)有所不同。

科學(xué)界已經(jīng)積極地接受了這一潛在的重大突破，但仍然需要繼續(xù)進(jìn)行，以便產(chǎn)生可以通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)(或駁斥)的預(yù)測(cè)。日內(nèi)瓦大學(xué)科學(xué)院理論物理系助理教授盧卡斯·隆布里瑟說：研究包括對(duì)廣義相對(duì)論方程一種新的數(shù)學(xué)操作，最終使關(guān)于宇宙學(xué)常數(shù)的理論和觀測(cè)相協(xié)調(diào)成為可能。一個(gè)多世紀(jì)前，愛因斯坦在廣義相對(duì)論方程中引入了宇宙學(xué)常數(shù)Λ(λ)。愛因斯坦需要這個(gè)常數(shù)來確保理論與所認(rèn)為是靜態(tài)的宇宙相兼容。

然而，在1929年，另一位物理學(xué)家埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)，星系都在相互遠(yuǎn)離，這是宇宙實(shí)際上正在膨脹的跡象。在了解到這一點(diǎn)后，愛因斯坦后悔自己引入了宇宙學(xué)常數(shù)，在他眼里這個(gè)常數(shù)已經(jīng)變得毫無用處，愛因斯坦甚至把它描述為“我一生中最大的錯(cuò)誤”。1998年，對(duì)遙遠(yuǎn)超新星的精確分析提供了證據(jù)，證明宇宙膨脹，不是恒定的，實(shí)際上是在加速，就好像一種神秘力量正以越來越快的速度膨脹著宇宙。

為了描述物理學(xué)家所說的“真空能量”（一種性質(zhì)未知的能量），宇宙學(xué)常數(shù)再次被調(diào)用，是宇宙加速膨脹的原因。對(duì)超新星，特別是宇宙微波背景（來自天空所有的微波輻射，被認(rèn)為是宇宙大爆炸留下的）最精確的觀測(cè)，使得測(cè)量這個(gè)宇宙學(xué)常數(shù)的實(shí)驗(yàn)值成為可能。結(jié)果是一個(gè)非常小的數(shù)字(1.11×10^-52 m^-2)，但仍然大到足以產(chǎn)生所需的加速膨脹效果。問題是宇宙學(xué)常數(shù)理論值有很大的不同。

這個(gè)值是使用量子場(chǎng)論獲得：這一點(diǎn)認(rèn)為，在空間的每一個(gè)點(diǎn)和任何時(shí)刻，都會(huì)產(chǎn)生和破壞非常小規(guī)模的粒子對(duì)，幾乎是瞬間的。這種“真空漲落”能量（一種非常真實(shí)的現(xiàn)象）被解釋為對(duì)宇宙學(xué)常數(shù)的貢獻(xiàn)。但在計(jì)算其值時(shí)，得到了一個(gè)巨大的數(shù)值(3.83×10^+69 m^-2)，這與實(shí)驗(yàn)值很大程度上不相容。這一估估測(cè)表了科學(xué)界理論與實(shí)驗(yàn)之間迄今獲得的最大差距(10^121倍)。這個(gè)宇宙學(xué)常數(shù)問題是當(dāng)前理論物理學(xué)中“最熱門”的課題之一。

很多科學(xué)家都在從四面八方的研究廣義相對(duì)論方程式，試圖挖掘出解決這個(gè)問題的思想。雖然已經(jīng)提出了幾種策略，但目前還沒有達(dá)成普遍共識(shí)。Lombriser教授在幾年前就有了一個(gè)最初的想法，就是在愛因斯坦方程中出現(xiàn)的萬有引力G(牛頓)常數(shù)中引入一個(gè)變量。這意味著宇宙(G=6.67408×10^-11m^3/kgs2)成為無數(shù)不同理論可能性中的一個(gè)特例。在無數(shù)假設(shè)之后，隆布里瑟教授的數(shù)學(xué)方法意味著可以計(jì)算參數(shù)ΩΛ(Omega Lambda)，這是表達(dá)宇宙常數(shù)的另一種方式，但更容易操作。

這個(gè)參數(shù)還指定宇宙中由暗能量組成的當(dāng)前部分（其余部分由物質(zhì)組成）。這位日內(nèi)瓦物理學(xué)家獲得的理論值為0.704，即70.4%。這個(gè)數(shù)字與迄今為止獲得的最好實(shí)驗(yàn)估計(jì)值0.685或68.5%非常一致，表明這比10^121的差異有了巨大改善。這一初步的成功現(xiàn)在需要進(jìn)行進(jìn)一步分析，以驗(yàn)證Lombriser提出的新框架，是否可以用來重新解釋或澄清宇宙學(xué)的其他奧秘。這位物理學(xué)家已經(jīng)被邀請(qǐng)?jiān)诳茖W(xué)會(huì)議上介紹和解釋他的方法，這反映了科學(xué)社區(qū)所表現(xiàn)出的興趣。

博科園｜研究/來自：日內(nèi)瓦大學(xué)

參考期刊《物理快報(bào)B》

DOI: 10.1016/j.physletb.2019.134804

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普

關(guān)注【博科園】看更多大美宇宙科學(xué)