物理學(xué)中有一個(gè)基本問題，一個(gè)被稱為宇宙學(xué)常數(shù)的數(shù)，連接了量子力學(xué)的微觀世界和愛因斯坦廣義相對(duì)論的宏觀世界，但兩種理論都不能就其數(shù)值達(dá)成一致。

事實(shí)上，這個(gè)宇宙學(xué)常數(shù)的觀測(cè)值和理論預(yù)測(cè)之間存在巨大差異，這被廣泛認(rèn)為是物理史上最糟糕的預(yù)測(cè)，愛因斯坦也為之感嘆！

解決這種差異可能是本世紀(jì)理論物理學(xué)最重要的目標(biāo)之一。瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)理論物理學(xué)助理教授盧卡斯·隆布里瑟將發(fā)表一種評(píng)估愛因斯坦引力方程的新方法，以便找到與其觀測(cè)值接近的宇宙學(xué)常數(shù)值，該研究方法將在2019年10月10日發(fā)表在《物理通訊B》期刊上。

愛因斯坦最大的錯(cuò)誤如何變成暗能量？

宇宙學(xué)常數(shù)的故事開始于一個(gè)多世紀(jì)前，當(dāng)時(shí)愛因斯坦提出了一組方程，現(xiàn)在被稱為愛因斯坦場(chǎng)方程式，這成為了愛因斯坦廣義相對(duì)論的框架。這些方程解釋了物質(zhì)和能量是如何扭曲空間和時(shí)間的結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生引力。當(dāng)時(shí)，愛因斯坦和天文學(xué)家都認(rèn)為宇宙的大小是固定的，星系之間的整體空間不會(huì)改變。然而，當(dāng)愛因斯坦將廣義相對(duì)論應(yīng)用于整個(gè)宇宙時(shí)，愛因斯坦的理論預(yù)測(cè)了一個(gè)不穩(wěn)定宇宙，它要么會(huì)膨脹，要么會(huì)收縮，為了“迫使”宇宙是靜態(tài)的，愛因斯坦增加了宇宙學(xué)常數(shù)。

近十年后，另一位物理學(xué)家埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)發(fā)現(xiàn)，宇宙不是靜止的，而是不斷膨脹的。來自遙遠(yuǎn)星系的光顯示它們都在相互遠(yuǎn)離。這一發(fā)現(xiàn)說服愛因斯坦放棄了愛因斯坦場(chǎng)方程式中的宇宙學(xué)常數(shù)，因?yàn)椴辉傩枰忉屌蛎浀挠钪?。物理學(xué)的傳說是：愛因斯坦后來表示，他引入宇宙常數(shù)可能是他最大的錯(cuò)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。星系之間互相加速，就好像某種未知的力量正在克服引力，將這些星系推開。

物理學(xué)家將這種神秘的現(xiàn)象命名為暗能量，因?yàn)樗恼鎸?shí)性質(zhì)仍然是一個(gè)謎。具有諷刺意味的是，物理學(xué)家再次將宇宙學(xué)常數(shù)重新引入愛因斯坦的場(chǎng)方程式，以解釋暗能量。在當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型中，稱為Λcdm(Lambda CDM)，宇宙學(xué)常數(shù)可以與暗能量互換。天文學(xué)家甚至基于對(duì)遙遠(yuǎn)超新星的觀測(cè)和宇宙微波背景中的波動(dòng)來估計(jì)宇宙學(xué)常數(shù)值。雖然這個(gè)數(shù)值小得離譜(大約每平方米10^-52)，但在宇宙的尺度上，其重要性足以解釋空間加速膨脹的原因。

宇宙學(xué)常數(shù)（暗能量）目前約占宇宙總能量含量的70%左右，這是可以從觀察到宇宙目前正在經(jīng)歷加速膨脹中推斷出來的，然而這個(gè)常數(shù)還沒有被理解。試圖解釋它的努力失敗了，我們?cè)谌绾卫斫庥钪娣矫嫠坪踹z漏了一些基本的東西。解開這個(gè)謎團(tuán)是現(xiàn)代物理學(xué)的主要研究領(lǐng)域之一。科學(xué)家普遍認(rèn)為，解決這個(gè)問題可能會(huì)讓我們對(duì)物理學(xué)有一個(gè)更基本的理解。

物理史上最糟糕的理論預(yù)測(cè)

宇宙常數(shù)被認(rèn)為代表物理學(xué)家所說的“真空能量”，量子場(chǎng)論指出，即使在完全空虛的太空真空中，虛擬粒子也會(huì)突然出現(xiàn)又脫離存在，并創(chuàng)造能量：這似乎是一個(gè)荒謬的想法，但實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)觀察到了這一點(diǎn)。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)，問題就出現(xiàn)了，其結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果不同，其驚人的因子為10^121，這是所有物理學(xué)中理論與實(shí)驗(yàn)之間最大的差異。這種差異導(dǎo)致一些物理學(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，激光干涉儀引力波天文臺(tái)(LIGO)對(duì)引力波的進(jìn)一步證據(jù)只增強(qiáng)了廣義相對(duì)論，并摒棄了許多這些替代理論。這就是為什么Lombriser沒有重新思考引力，而是采取了不同方法來解決這個(gè)宇宙之謎的原因。所提出的機(jī)制并沒有改變愛因斯坦場(chǎng)方程式，取而代之的是，在愛因斯坦場(chǎng)方程式的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)額外方程式。引力常數(shù)最早用于艾薩克·牛頓的引力定律，現(xiàn)在是愛因斯坦場(chǎng)方程式的重要組成部分，它描述了物體之間引力的大小，被認(rèn)為是物理學(xué)的基本常數(shù)之一，自宇宙誕生以來一直保持不變。

Lombriser做出了戲劇性的假設(shè)，即這個(gè)常數(shù)可以改變。在Lombriser對(duì)廣義相對(duì)論的修正中，引力常數(shù)在可觀察到的宇宙中保持不變，但可能會(huì)超過它。而是提出了一種多宇宙場(chǎng)景，其中可能存在看不見的宇宙斑塊，這些斑塊對(duì)于基本常數(shù)具有不同的值。引力的這種變化給了隆布里瑟一個(gè)額外方程式，它將宇宙學(xué)常數(shù)與整個(gè)時(shí)空中物質(zhì)的平均總和聯(lián)系起來。計(jì)算了宇宙中所有星系、恒星和暗物質(zhì)的估計(jì)質(zhì)量之后，可以求解這個(gè)新方程來獲得一個(gè)新宇宙學(xué)常數(shù)的值：一個(gè)與觀測(cè)結(jié)果非常吻合的值。

使用一個(gè)新的參數(shù)ΩΛ（Omega Lambda）表示宇宙中由暗物質(zhì)組成部分，發(fā)現(xiàn)宇宙大約由74%的暗能量組成。這個(gè)數(shù)值與從觀測(cè)得到的68.5%估計(jì)值非常吻合，與量子場(chǎng)論發(fā)現(xiàn)的巨大差異相比，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。盡管Lombriser的框架可能解決了宇宙學(xué)常數(shù)問題，但目前還沒有辦法對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。但在未來，如果來自其他理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方程式，這可能意味著我們對(duì)暗能量理解上的一次重大飛躍，并提供了一種解決其他宇宙奧秘的工具。

博科園｜文：Tim Childers/Live Science

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