同一個標量場！新宇宙學(xué)模型認為宇宙膨脹與暴脹源自同種機制

近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所中科院量子光學(xué)重點實驗室提出了一種新的宇宙學(xué)模型，該模型把驅(qū)動宇宙現(xiàn)今加速膨脹的物理機制和宇宙早期暴脹的物理機制統(tǒng)一描述為同一個標量場，并用空間曲率為正的封閉空間解釋了普朗克衛(wèi)星在2018年報道的天文觀測結(jié)果。相關(guān)研究成果發(fā)表于最新一期《物理評論D》上。

早在上世紀80年代末,諾貝爾物理學(xué)獎得主溫伯格(Weinberger)就曾指出宇宙學(xué)常數(shù)問題是物理學(xué)面臨的最大危機。一方面是因為，量子場論表明的所謂真空，即量子場的能量最低態(tài)的能量密度因零點能的存在而非常之大甚至趨于無窮大;另一方面天文觀測表明，基于廣義相對論的宇宙模型無物質(zhì)的真空的能量密度(在廣義相對論中叫宇宙學(xué)常數(shù))非常小，或許就是零。

到了上世紀90年代末，宇宙學(xué)常數(shù)問題發(fā)生了更加令人困惑的戲劇性變化。自1998年起，天文學(xué)和物理學(xué)界已確認，宇宙的膨脹已經(jīng)從過去的減速膨脹進入當今的加速膨脹階段。科學(xué)家把這個同萬有引力相反的驅(qū)動力歸結(jié)于一個非常小的真空能量密度，也就是一個非零的宇宙學(xué)常數(shù)，并稱之為暗能量。但暗能量到底是什么，一直得不到物理解釋。因此，暗能量的物理解釋成為宇宙學(xué)和粒子物理學(xué)面臨的最大挑戰(zhàn)。換句話說，宇宙學(xué)常數(shù)造成的幾何引力論和量子場論的概念沖突，已經(jīng)成為基礎(chǔ)物理學(xué)中的最大問題。

包括諾獎得主詹姆斯·皮布爾斯(JamesPeebles)在內(nèi)，許多科學(xué)家利用一個具有負壓特性的標量場來解釋暗能量，它常常被稱為“精質(zhì)”(quintessence)以區(qū)別于普通物質(zhì)和電磁場。但是，同物質(zhì)無耦合的精質(zhì)模型無法規(guī)避溫伯格的“no-go”定理。之后，人們又提出了耦合于物質(zhì)的所謂變色龍暗能量模型。非常遺憾，在提出變色龍機制數(shù)年后,其提出者又證明了變色龍“no-go”定理，并推論說變色龍模型不能解決宇宙的加速膨脹問題，即不能解決宇宙學(xué)常數(shù)問題。

研究人員提出了標量場和物質(zhì)的作用勢的對稱性破缺模型，該模型指出了變色龍“no-go”定理推論的錯誤，同時也規(guī)避了溫伯格的“no-go”定理。變色龍“no-go”定理的提出者，以及后續(xù)的實驗物理學(xué)家認為，要解釋宇宙的加速膨脹需要長程力。

該項研究則指出，是標量場的負壓強而非其梯度力驅(qū)動宇宙的加速膨脹，所以依靠長程作用力驅(qū)動宇宙加速膨脹的觀念是不正確的，并證明無論是現(xiàn)今的宇宙加速膨脹和宇宙暴脹都可用一個標量場描述。由于標量場受到對稱性破缺的相互作用，所以標量場的自作用勢在有效勢的極小值點的取值就扮演了宇宙學(xué)常數(shù)的角色。

此外，研究人員還利用2018年普朗克衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)中關(guān)于宇宙暴脹勢的凹形特征得出我們的宇宙是封閉的結(jié)論。在滿足宇宙學(xué)參數(shù)的約束下，得到了物質(zhì)誘導(dǎo)標量場所產(chǎn)生的第五種力。第五種力的大小和作用范圍都是與環(huán)境的物質(zhì)密度密切相關(guān)的。

以當下的宇宙物質(zhì)密度為例，這個作用強度比萬有引力大30多個量級，而作用力程在微米量級。由于力程甚短，所以很難在現(xiàn)有的天文觀測和實驗方案中觀測到，從而收斂到太陽系的觀測和廣義相對論一致的結(jié)果。但由于其強度遠遠大于萬有引力，只要科研人員巧妙設(shè)計實驗就有可能探測第五種力。(通訊員李沙沙記者王春)

關(guān)鍵詞： 宇宙膨脹 暴脹