愛(ài)因斯坦的最大“失誤”可能要被修正了

物理學(xué)中有一個(gè)基本問(wèn)題。

一個(gè)稱為宇宙常數(shù)的數(shù)字，連接了量子力學(xué)的微觀世界和愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的宏觀世界。但兩種理論都不能認(rèn)同它的價(jià)值。

事實(shí)上，這個(gè)常數(shù)的觀測(cè)值與理論上的預(yù)測(cè)值有著巨大的差異，它被廣泛認(rèn)為是物理學(xué)史上最差的預(yù)測(cè)。解決這一矛盾可能是本世紀(jì)理論物理學(xué)最重要的目標(biāo)。

瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)理論物理學(xué)助理教授Lucas Lombriser介紹了一種評(píng)估愛(ài)因斯坦引力方程的新方法，以找到與觀測(cè)值密切接近的宇宙常數(shù)值。他在10月10日出版的《物理快報(bào)B》線上發(fā)表了他的方法。

愛(ài)因斯坦的最大失誤是如何變成暗能量的

宇宙常數(shù)的故事始于一個(gè)多世紀(jì)前，當(dāng)時(shí)愛(ài)因斯坦提出了一套方程，現(xiàn)在稱為愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程（Einstein field equations），這些方程成為他廣義相對(duì)論的框架。方程解釋了物質(zhì)和能量如何扭曲空間和時(shí)間結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生重力。當(dāng)時(shí)，愛(ài)因斯坦和天文學(xué)家都同意宇宙的大小是固定的，星系之間的整體空間沒(méi)有改變。然而，當(dāng)愛(ài)因斯坦將廣義相對(duì)論應(yīng)用于整個(gè)宇宙時(shí)，他的理論預(yù)測(cè)了一個(gè)不穩(wěn)定的宇宙，這個(gè)宇宙要么膨脹，要么收縮。為了迫使宇宙是靜止的，愛(ài)因斯坦加上了一個(gè)宇宙常數(shù)。

近十年后，另一位物理學(xué)家Edwin Hubble發(fā)現(xiàn)，我們的宇宙不是靜止的，而是膨脹的。來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的光顯示它們都在相互遠(yuǎn)離。這一結(jié)果說(shuō)服愛(ài)因斯坦放棄他的場(chǎng)方程中的宇宙常數(shù)，因?yàn)閷?duì)于一個(gè)膨脹的宇宙來(lái)說(shuō)，它已經(jīng)沒(méi)有必要了。物理界傳聞，愛(ài)因斯坦后來(lái)承認(rèn)，引入宇宙常數(shù)也許是他最大的失誤。

1998年，對(duì)遙遠(yuǎn)超新星的觀測(cè)表明，宇宙不僅在膨脹，而且正在加速膨脹。星系正在相互加速，仿佛有一些未知的力量正在克服重力，把那些星系推開(kāi)。物理學(xué)家們把這種神秘的現(xiàn)象命名為暗能量，因?yàn)樗恼嬲再|(zhì)仍然是一個(gè)謎。

具有諷刺意味的是，物理學(xué)家們?cè)俅螌⒂钪娉?shù)引入愛(ài)因斯坦的場(chǎng)方程中，以解釋暗能量。在目前的宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型（稱為ΛCDM，Lambda CDM）中，宇宙常數(shù)與暗能量可相互代替。天文學(xué)家甚至根據(jù)對(duì)遙遠(yuǎn)超新星的觀測(cè)和宇宙微波背景的波動(dòng)來(lái)估計(jì)其值。雖然這個(gè)值非常小（每平方米10-52左右），但在宇宙的層面上來(lái)說(shuō)，它的重要性足以解釋空間的加速膨脹。

“宇宙常數(shù)（或暗能量）目前約占我們宇宙中能量含量的70%，這是我們從觀測(cè)到的宇宙目前所經(jīng)歷的加速膨脹中推斷的。然而，這個(gè)常數(shù)并不為人所理解，”Lombriser說(shuō)，“我們無(wú)法解釋它，在如何理解宇宙方面，我們似乎缺少一些根本的東西。解開(kāi)這個(gè)謎題是現(xiàn)代物理學(xué)的主要研究領(lǐng)域之一。人們普遍預(yù)測(cè)，解決這個(gè)問(wèn)題會(huì)使我們對(duì)物理學(xué)有一個(gè)更基本的理解。”

這是物理學(xué)史上最糟糕的理論預(yù)測(cè)

宇宙常數(shù)被認(rèn)為是物理學(xué)家所說(shuō)的“真空能量”。量子場(chǎng)理論指出，即使在完全空曠的真空環(huán)境中，虛擬粒子也會(huì)大量出現(xiàn)和消失并產(chǎn)生能量—;—;這是一個(gè)看似荒謬的想法，但是一個(gè)在實(shí)驗(yàn)中被真實(shí)觀察到的想法。當(dāng)物理學(xué)家試圖計(jì)算它對(duì)宇宙常數(shù)的貢獻(xiàn)時(shí)，問(wèn)題就出現(xiàn)了。他們的結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果不同，其差值是令人驚訝的10121（即10后有120個(gè)零），這是所有物理學(xué)中理論和實(shí)驗(yàn)之間最大的差異。

這種差異甚至使一些物理學(xué)家懷疑愛(ài)因斯坦最初的引力方程；有些人甚至提出了替代的引力模型。然而，激光干涉儀引力波觀測(cè)臺(tái)（LIGO）的引力波的進(jìn)一步證據(jù)只有廣義相對(duì)論被加強(qiáng)了，并駁斥了許多替代理論。這就是為什么Lombriser沒(méi)有重新思考重力，而是采取了不同的方法來(lái)解決這個(gè)宇宙難題。

“我提出的機(jī)制并沒(méi)有修改愛(ài)因斯坦的場(chǎng)方程，”Lombriser說(shuō)，相反，“我只是在愛(ài)因斯坦的場(chǎng)方程上增加了一個(gè)方程?！?/p>

引力常數(shù)，最初用于牛頓的重力定律，現(xiàn)在是愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程的重要組成部分，描述了物體之間的引力大小。它被認(rèn)為是物理學(xué)的基本常數(shù)之一，自宇宙開(kāi)始以來(lái)一直不變。Lombriser做出了一個(gè)戲劇性的假設(shè)，即這個(gè)常數(shù)可以改變。

在Lombriser對(duì)廣義相對(duì)論的修改中，引力常數(shù)在我們可觀測(cè)的宇宙中保持不變，但在宇宙之外可以變化。他提出了一個(gè)多元宇宙設(shè)想，即其中可能有一些我們看不見(jiàn)的宇宙區(qū)域，不同的區(qū)域?qū)?yīng)著不同的基本常數(shù)。

這種重力的變化給了Lombriser帶來(lái)了一個(gè)額外的方程，該方程將宇宙常數(shù)與時(shí)空物質(zhì)的平均總和聯(lián)系起來(lái)。在計(jì)算了宇宙中所有星系、恒星和暗物質(zhì)的估計(jì)質(zhì)量后，他就可以求解這個(gè)新方程，為宇宙常數(shù)獲得一個(gè)新的值—;—;一個(gè)與觀測(cè)結(jié)果非常一致的值。

他使用一個(gè)新的參數(shù)，即ΩΛ（omega lambda），表示由暗物質(zhì)構(gòu)成的宇宙的一部分，他發(fā)現(xiàn)宇宙是由約74%的暗能量構(gòu)成的。這個(gè)數(shù)字與觀測(cè)估計(jì)的68.5%值非常接近，與量子場(chǎng)理論發(fā)現(xiàn)的巨大差異相比，這是一個(gè)巨大的改進(jìn)。

雖然Lombriser的框架可以解決宇宙常數(shù)問(wèn)題，但目前沒(méi)有辦法對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。但在未來(lái)，如果來(lái)自其他理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了他的方程，這可能意味著我們對(duì)暗能量的理解有一個(gè)重大飛躍，并提供一個(gè)工具來(lái)解決其它宇宙奧秘。