新宇宙学模型认为:宇宙膨胀与暴胀源自同种机制

《科学日报》(李莎莎记者王春)近日,中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室提出了一种新的宇宙学模型。该模型将驱动当前宇宙加速膨胀的物理机制和宇宙早期膨胀的物理机制描述为同一个标量场,并解释了普朗克卫星在2018年报告的具有正空间曲率的封闭空间的天文观测结果。相关的研究结果发表在最新一期的《物理评论》上

早在20世纪80年代末,诺贝尔奖获得者温伯格就指出,宇宙常数问题是物理学面临的最大危机。一方面,这是因为量子场论所指的所谓真空,即量子场最低能态的能量密度非常大,甚至由于零点能量的存在而趋于无穷大。另一方面,天文观测表明,在基于广义相对论的宇宙模型中,无物质真空的能量密度(广义相对论中的宇宙常数)非常小,可能为零。

到20世纪90年代末,宇宙常数问题经历了更令人困惑的戏剧性变化。自1998年以来,天文学和物理学界已经证实,宇宙的膨胀已经从过去的减速膨胀进入了加速膨胀阶段。科学家将这种与万有引力相反的驱动力归因于非常小的真空能量密度,即非零的宇宙常数,称之为暗能量。然而,什么是暗能量还没有被物理解释。因此,暗能量的物理解释已经成为宇宙学和粒子物理学面临的最大挑战。换句话说,由宇宙常数引起的几何引力理论和量子场论之间的概念冲突已经成为基础物理学中最大的问题。

包括诺贝尔奖获得者詹姆斯·皮布尔斯在内的许多科学家用一个具有负压特征的标量场来解释暗能量,暗能量通常被称为“精华”,以区别于普通物质和电磁场。然而,不与物质耦合的本质模型无法回避温伯格的“不可行”定理。后来,人们提出了所谓的变色龙暗物质耦合能量模型。不幸的是,变色龙机制提出几年后,它的提出者证明了变色龙的“不可行”定理,并推断变色龙模型不能解决宇宙加速膨胀的问题,即宇宙常数的问题。

研究人员提出了标量场和物质势的对称破缺模型。该模型指出了变色龙“不可行”定理推导的错误,并回避了温伯格的“不可行”定理。变色龙“不可行”定理的提出者和随后的实验物理学家认为,需要远程力来解释宇宙的加速膨胀。

研究指出,驱动宇宙加速膨胀的是标量场的负压力,而不是它的梯度力,因此,依靠长程力来驱动宇宙加速膨胀的概念是不正确的,并且证明了宇宙加速膨胀和宇宙膨胀都可以用标量场来描述。由于标量场通过对称性破缺相互作用,标量场的自相互作用势在有效势的最小点起着宇宙常数的作用。

此外,研究人员还利用2018年普朗克卫星观测数据中膨胀势的凹面特征得出结论,我们的宇宙是封闭的。在满足宇宙学参数的约束下,得到了标量场中物质诱导的第五力。第五种力的大小和作用范围与环境的物质密度密切相关。

以宇宙中物质的电流密度为例,这种作用的强度比万有引力大30多个数量级,而作用范围在微米量级。由于受力范围很短,在现有的天文观测和实验方案中很难观察到,从而得出太阳系的观测符合广义相对论的结论。但是因为它的强度远远大于万有引力,只要研究人员熟练地设计实验,就有可能探测到第五种力。

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