宇宙科普知識： 是什么加速了宇宙的膨脹？

　物理學(xué)家提出，宇宙中存在著額外的成分，這或許可以解釋宇宙的膨脹速度為什么比預(yù)期的要快。

　　宇宙膨脹的速度比科學(xué)家預(yù)測的快得多，這是宇宙學(xué)中最難以解釋的異?，F(xiàn)象之一。根據(jù)對宇宙大爆炸后不久后釋放的輻射（宇宙微波背景輻射）進行測量，物理學(xué)家預(yù)測了宇宙的膨脹速率，即所謂的哈勃常數(shù)。這些輻射揭示了早期宇宙的精確成分。宇宙學(xué)家將這些成分代入宇宙演化模型中，并將模型向前運行，以觀察今天的宇宙空間應(yīng)該以多快的速度膨脹。

　　然而，模型預(yù)測的結(jié)果并不準(zhǔn)確：在對脈動變星和爆發(fā)的超新星等天體進行觀察時，宇宙學(xué)家看到的是一個加快膨脹的宇宙，其哈勃常數(shù)也更大。

　　這種被稱為“哈勃沖突”（Hubble tension）的現(xiàn)象一直存在，即使所有的測量手段都變得越來越精確。一些天體物理學(xué)家仍在爭論這一差異是否只是測量誤差。但可以確定的是，如果這種差異真實存在，那就意味著宇宙學(xué)家的宇宙模型中缺少某些東西。

　　近年來，理論物理學(xué)家一直在推測新的宇宙成分，這些成分一旦加入標(biāo)準(zhǔn)模型，就可以導(dǎo)致宇宙的膨脹速率加快，使其與觀測值相符。

　　“發(fā)現(xiàn)異常是科學(xué)進步的根本途徑，”哈佛大學(xué)的宇宙學(xué)家阿維·勒布（Avi Loeb）說道。他是數(shù)十位試圖解決“哈勃沖突”的研究者之一。接下來，就讓我們來了解一下解釋宇宙加速膨脹的一些最重要的理論。

　　衰變的暗物質(zhì)

　　宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型包含了所有我們熟悉的物質(zhì)和輻射形式，以及它們之間的相互作用；它還包括被稱為暗能量和暗物質(zhì)的不可見物質(zhì)，二者加起來構(gòu)成了96%的宇宙。由于人們對這些黑暗部分知之甚少，因此它們可能是修改標(biāo)準(zhǔn)模型時最容易想到的地方。“這就是可以任你改變宇宙膨脹速率的部分，”阿維·勒布說道。

　　標(biāo)準(zhǔn)模型假設(shè)暗物質(zhì)由不與光相互作用的緩慢粒子組成，但如果我們也假設(shè)，暗物質(zhì)并非由單一物質(zhì)構(gòu)成的呢？我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多不同種類的可見粒子——夸克、電子等等——因此可能也存在著多種暗粒子。

　　在2019年發(fā)表在《物理評論D》（Physical Review D）上的一篇論文中，阿維·勒布和兩位合作者提出了一種暗物質(zhì)形式，能衰變?yōu)橐环N較輕的粒子和一種無質(zhì)量的粒子，即暗光子。他們推斷，隨著時間的推移，越來越多的暗物質(zhì)衰變，導(dǎo)致其引力減弱，從而使宇宙加速膨脹。于是，“哈勃沖突”便迎刃而解。

　　然而，對標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型進行這樣的小改動可能會產(chǎn)生不必要的連鎖反應(yīng)。美國約翰·霍普金斯大學(xué)的理論物理學(xué)家馬克·卡米奧科夫斯基（Marc Kamionkowski）說：“提出各種各樣的微小修改很容易，但如果不破壞模型與其他大量天文觀測結(jié)果的完美契合，就很難做到這些。”

　　通過改變暗物質(zhì)的衰變速率和每次衰變的量，勒布和同事最終確定了一個暗物質(zhì)衰變的模型。他們表示，該模型仍然與其他天文觀測結(jié)果一致。“如果你把這個成分加入到標(biāo)準(zhǔn)的宇宙學(xué)模型中，一切都能很好地結(jié)合在一起，”勒布說道。

　　不過，勒布仍然不大滿意暗物質(zhì)衰變理論，部分原因是該理論在方程中引入了兩個新的不確定量。他說：“在這種情況下，你是通過添加兩個自由參數(shù)來解決一個差異，我對此感到不安。”他將衰變的暗物質(zhì)比作托勒密地球中心宇宙體系中的本輪，“我寧愿用一個參數(shù)來解釋兩個差異”。

　　變化無常的暗能量

　　自從1998年發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹以來，宇宙學(xué)家就在宇宙演化模型中加入了暗能量。但暗能量的性質(zhì)至今仍是一個謎。最簡單的可能性是，暗能量就是“宇宙常數(shù)”，即空間本身的能量，在任何地方的密度都是恒定的。但是，如果宇宙中的暗能量不是恒定的呢？

　　宇宙早期的一種額外的暗能量，被稱為早期暗能量，可以調(diào)和哈勃常數(shù)相互矛盾的值。早期暗能量的向外壓力會加速宇宙的膨脹。“棘手的是（早期暗能量）不能一直存在；它必須迅速消失，”哈佛大學(xué)的粒子物理學(xué)家和宇宙學(xué)家麗莎·蘭德爾（Lisa Randall）說道。

　　在一篇提交給《高能物理雜志》（Journal of High Energy Physics）的論文中，蘭德爾及其合作者設(shè)計了他們所謂的“搖滾”（rock’ n’ roll）方案，試圖解決“哈勃沖突”。標(biāo)準(zhǔn)模型中的每一個附加項都有不同的數(shù)學(xué)形式——在某些情況下，暗能量的密度會振蕩，或者說是“搖”（rock）；而在另一些情況下，暗能量的密度會從一個高值下降到零。但在所有情況下，早期的暗能量必須在幾十萬年后一段被稱為“重組”的時期中消失?！白灾亟M之后，宇宙的歷史與標(biāo)準(zhǔn)模型相當(dāng)一致，”卡米奧科夫斯基說道。在2019年6月的《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，卡米奧科夫斯基與人合著了一篇關(guān)于早期暗能量的論文。

　　除了早期的暗能量外，理論物理學(xué)家們還提出了其他奇特的暗能量形式——比如“第五元素”（quintessence，又譯為“精質(zhì)”）和“幻能量”（phantom dark energy）——它們也會隨著宇宙年齡的增長而變化。雖然這些對標(biāo)準(zhǔn)模型的擴展緩和了“哈勃沖突”，但許多宇宙學(xué)家認(rèn)為這些只是微調(diào)，即適當(dāng)?shù)牡珱]有明確理由的數(shù)學(xué)補充。

　　不過，卡米奧科夫斯基指出，與宇宙歷史上的其他膨脹時期相比，新的暗能量形式顯得沒那么不自然。例如，大多數(shù)宇宙學(xué)家認(rèn)為，宇宙在大爆炸開始時，在一段被稱為“暴脹”的時期內(nèi)呈指數(shù)級膨脹，這是由一種暗能量形式驅(qū)動的，但與今天存在的暗能量不同?？讑W科夫斯基表示，這種由暗能量主導(dǎo)的時期被認(rèn)為“在整個宇宙的歷史中時不時發(fā)生”。

　　修正后的引力

　　在宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型中，所有已知的物質(zhì)和輻射形式，加上暗物質(zhì)和暗能量，都被輸入到阿爾伯特·愛因斯坦的引力理論中，而愛因斯坦的方程表明了空間將如何膨脹。這意味著，除了在模型中改變或添加宇宙成分外，物理學(xué)家還有另一種方法可以使其與觀測到的宇宙膨脹速率相一致，“你可以想象愛因斯坦的方程是不正確的，”勒布說道。

　　2019年夏天，劍橋大學(xué)的博士生威廉·巴克（William Barker）在尋找一種“修正引力”（modified gravity）理論時，無意中發(fā)現(xiàn)了一種解決“哈勃沖突”的方法。巴克發(fā)現(xiàn)了一個修正的引力模型，其“運行似乎表明宇宙早期存在額外的輻射”；正是輻射壓力導(dǎo)致了宇宙的加速膨脹。

　　但是，在今年3月份提交給《物理評論》的一份預(yù)印本中，巴克和三位合著者承認(rèn)，他們還需要進行更多的分析，以確定該模型是否不僅能描述宇宙如何膨脹，還能描述星系和星團等結(jié)構(gòu)如何演化。

　　今天的望遠(yuǎn)鏡提供了大量關(guān)于這些結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，精確性令人吃驚，因此設(shè)計出一種與所有觀測結(jié)果相匹配的理論絕非易事。卡米奧科夫斯基說：“許多修正引力理論都不是完整的理論，當(dāng)你試圖用精細(xì)的數(shù)據(jù)集進行詳細(xì)計算時……很難以穩(wěn)健的方式做到這一點?！?/span>

　　且走且看

　　“我們都知道它們是暫時的，”蘭德爾在談到目前的各種理論時說，“令人驚訝的是，即使有了這些臨時加項，差異仍然很難調(diào)解。”

　　即使有額外的自由參數(shù)，大多數(shù)非標(biāo)準(zhǔn)模型也只是緩和了“哈勃沖突”，并沒有完全解決。這些模型預(yù)測的宇宙膨脹速度比標(biāo)準(zhǔn)模型更快，但仍不足以與超新星和其他天體的觀測結(jié)果相匹配。

　　在未來幾年里，歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡和其他望遠(yuǎn)鏡將細(xì)致描繪出引力與暗能量是如何塑造宇宙演化的。與此同時，中子星碰撞發(fā)出的引力波也將為測量哈勃常數(shù)提供新的方法。新的數(shù)據(jù)將排除一些解決“哈勃沖突”的理論，但標(biāo)準(zhǔn)模型中也可能出現(xiàn)新的問題。目前，許多宇宙學(xué)家都不愿在標(biāo)準(zhǔn)模型運行良好的情況下將其復(fù)雜化。蘭德爾說：“人們有點在觀望的感覺，除非真的有很好的理論?！?/span>

　　蘭德爾補充道，即使“哈勃沖突”最終只是誤差的累積，但這種對新物理學(xué)的探索并不一定是徒勞的?！坝腥さ慕Y(jié)果有時會來自最終消失的事物，”她說，“這會迫使你思考：我們知道什么？我們又能改變多少？”（任天）


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