愛因斯坦的最大“失誤”可能要被修正了

物理學(xué)中有一個基本問題。

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

事實上，這個常數(shù)的觀測值與理論上的預(yù)測值有著巨大的差異，它被廣泛認為是物理學(xué)史上最差的預(yù)測。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介紹了一種評估愛因斯坦引力方程的新方法，以找到與觀測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B》線上發(fā)表了他的方法。

愛因斯坦的最大失誤是如何變成暗能量的

宇宙常數(shù)的故事始于一個多世紀(jì)前，當(dāng)時愛因斯坦提出了一套方程，現(xiàn)在稱為愛因斯坦場方程（Einstein field equations），這些方程成為他廣義相對論的框架。方程解釋了物質(zhì)和能量如何扭曲空間和時間結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生重力。當(dāng)時，愛因斯坦和天文學(xué)家都同意宇宙的大小是固定的，星系之間的整體空間沒有改變。然而，當(dāng)愛因斯坦將廣義相對論應(yīng)用于整個宇宙時，他的理論預(yù)測了一個不穩(wěn)定的宇宙，這個宇宙要么膨脹，要么收縮。為了迫使宇宙是靜止的，愛因斯坦加上了一個宇宙常數(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。來自遙遠星系的光顯示它們都在相互遠離。這一結(jié)果說服愛因斯坦放棄他的場方程中的宇宙常數(shù)，因為對于一個膨脹的宇宙來說，它已經(jīng)沒有必要了。物理界傳聞，愛因斯坦后來承認，引入宇宙常數(shù)也許是他最大的失誤。

1998年，對遙遠超新星的觀測表明，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。物理學(xué)家們把這種神秘的現(xiàn)象命名為暗能量，因為它的真正性質(zhì)仍然是一個謎。

具有諷刺意味的是，物理學(xué)家們再次將宇宙常數(shù)引入愛因斯坦的場方程中，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)對遙遠超新星的觀測和宇宙微波背景的波動來估計其值。雖然這個值非常?。科椒矫?0-52左右），但在宇宙的層面上來說，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%，這是我們從觀測到的宇宙目前所經(jīng)歷的加速膨脹中推斷的。然而，這個常數(shù)并不為人所理解，”Lombriser說，“我們無法解釋它，在如何理解宇宙方面，我們似乎缺少一些根本的東西。解開這個謎題是現(xiàn)代物理學(xué)的主要研究領(lǐng)域之一。人們普遍預(yù)測，解決這個問題會使我們對物理學(xué)有一個更基本的理解?！?/p>

這是物理學(xué)史上最糟糕的理論預(yù)測

宇宙常數(shù)被認為是物理學(xué)家所說的“真空能量”。量子場理論指出，即使在完全空曠的真空環(huán)境中，虛擬粒子也會大量出現(xiàn)和消失并產(chǎn)生能量—;—;這是一個看似荒謬的想法，但是一個在實驗中被真實觀察到的想法。當(dāng)物理學(xué)家試圖計算它對宇宙常數(shù)的貢獻時，問題就出現(xiàn)了。他們的結(jié)果與觀測結(jié)果不同，其差值是令人驚訝的10121（即10后有120個零），這是所有物理學(xué)中理論和實驗之間最大的差異。

這種差異甚至使一些物理學(xué)家懷疑愛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臺（LIGO）的引力波的進一步證據(jù)只有廣義相對論被加強了，并駁斥了許多替代理論。這就是為什么Lombriser沒有重新思考重力，而是采取了不同的方法來解決這個宇宙難題。

“我提出的機制并沒有修改愛因斯坦的場方程，”Lombriser說，相反，“我只是在愛因斯坦的場方程上增加了一個方程。”

引力常數(shù)，最初用于牛頓的重力定律，現(xiàn)在是愛因斯坦場方程的重要組成部分，描述了物體之間的引力大小。它被認為是物理學(xué)的基本常數(shù)之一，自宇宙開始以來一直不變。Lombriser做出了一個戲劇性的假設(shè)，即這個常數(shù)可以改變。

在Lombriser對廣義相對論的修改中，引力常數(shù)在我們可觀測的宇宙中保持不變，但在宇宙之外可以變化。他提出了一個多元宇宙設(shè)想，即其中可能有一些我們看不見的宇宙區(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帶來了一個額外的方程，該方程將宇宙常數(shù)與時空物質(zhì)的平均總和聯(lián)系起來。在計算了宇宙中所有星系、恒星和暗物質(zhì)的估計質(zhì)量后，他就可以求解這個新方程，為宇宙常數(shù)獲得一個新的值—;—;一個與觀測結(jié)果非常一致的值。

他使用一個新的參數(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。這個數(shù)字與觀測估計的68.5%值非常接近，與量子場理論發(fā)現(xiàn)的巨大差異相比，這是一個巨大的改進。

雖然Lombriser的框架可以解決宇宙常數(shù)問題，但目前沒有辦法對其進行測試。但在未來，如果來自其他理論的實驗驗證了他的方程，這可能意味著我們對暗能量的理解有一個重大飛躍，并提供一個工具來解決其它宇宙奧秘。