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新粒子要改变宇宙的命运:宇宙膨胀速率或与轴子有关
2019-11-04 08:38:31  出处:新浪科技  作者:任天 编辑:雪花   点击可以复制本篇文章的标题和链接

宇宙的膨胀速度正越来越快,但究竟有多快,世界各地的天文学家似乎还没有达成一致。自从宇宙诞生以来,它就一直在膨胀。天文学家对宇宙膨胀的速度一直争论不休,各种观点也越来越令人眼花缭乱。从邻近来源测量的膨胀速率,似乎与从遥远来源测量的膨胀速率相冲突。一种可能的解释是,宇宙中发生了一些奇怪的事情,改变了膨胀速率。

一位理论物理学家提出,宇宙中出现了一种全新的粒子,并且正在改变我们整个宇宙的未来命运。

哈勃常数

在宇宙学研究中,哈勃-勒梅特定律是宇宙膨胀理论的基础,以方程表示就是v=H0D,其中v是由红移现象测得的星系远离速率,H0是哈勃常数,而D是星系与观察者之间的距离。哈勃常数代表了目前宇宙的膨胀速率,为了测量它,天文学家设计了许多聪明的方法。

其中一种测量方法是观察邻近的超新星爆发,即宇宙中大型恒星死亡时所爆发出的气体和尘埃。有一类超新星具有非常明确的亮度,因此我们可以比较它们实际的亮度和应该有的亮度,然后计算距离。接着,通过观察超新星的主星系发出的光,天体物理学家也可以计算出它们远离我们的速度。把所有的信息综合在一起,我们就能计算出宇宙的膨胀速率。

除了超新星,宇宙中存在的另一种东西也可以提供有关膨胀速率的信息,这就是宇宙微波背景辐射,相当于宇宙大爆炸后留下的残余。当时的宇宙还处于婴儿阶段,年龄只有38万年。通过像普朗克卫星等任务,科学家绘制了这些残余辐射在整个天空的各向异性图像,从而对宇宙的组成成分有了更精确的了解。利用这些图像和数据,科学家可以通过计算机模型来计算宇宙成分随时间的变化,从而得出如今的膨胀速率应该是多少。这种方法假设宇宙的基本成分从开始膨胀起就没有改变过。

这两种方法估计的数值相差甚远,科学家开始思考其中到底遗漏了什么。

宇宙的“暗面”

也许,两种方法中有一个或两个测量结果并不正确,或者不完整;双方的许多科学家在争论中都认为出错的是对方。但是,如果我们假设这两种测量方法都是准确的,那我们就需要其他的东西来解释不同的结果。由于一个结果来自非常早期的宇宙,另一个结果来自比较近期的宇宙,因此有科学家提出,也许宇宙中存在某些新的成分,正在以一种计算机模型中尚未涉及的方式改变着宇宙的膨胀速率。

主导目前宇宙膨胀的是一种神秘的现象,科学家称之为暗能量。就这种我们根本不理解的东西而言,这是一个恰如其分的名字。我们只知道,宇宙的膨胀速率还在增加,而驱动这种加速的力量就是“暗能量”。在年轻宇宙与现今宇宙的比较中,物理学家假设暗能量(不管它到底是什么)是恒定的。但如果是这样的假设,分歧就仍然存在,因此可能暗能量正在改变。

让我们假设暗能量正在改变。科学家猜测暗能量可能与被锁在时空真空中的能量有关。这种能量来自于宇宙中弥漫的“量子场”。在现代量子物理学中,每一种粒子都与特定的场联系在一起。这些场“冲刷”着所有的时空,有时,场的一部分还会在某些地方变得非常活跃,形成已知的粒子,比如电子、夸克和中微子等。所有的电子都属于电子场,所有的中微子都属于中微子场,以此类推。这些场的相互作用构成了我们理解量子世界的基础。

无论去到宇宙的什么地方,你都无法逃离量子场。即使某个特定位置的量子场没有足够的振动来产生一个粒子,它们也仍然在那里,不断摇摆和振动,做着正常的量子运动。因此,这些量子场具有一定的与之相关的能量,即使在真空中也是如此。

如果我们想利用时空真空的量子能量来解释暗能量,我们马上就会遇到问题。科学家进行了一些非常简单的计算,估计真空中有多少能量是由所有的量子场引起的,结果得到一个比观察到的暗能量强120个数量级的数值。然而,当科学家尝试一些更复杂的计算时,得到的结果却是零。这也与暗能量的测量值不一致。

因此无论如何,我们都很难通过时空真空能量(由量子场产生的能量)来理解暗能量。但是,如果宇宙膨胀速率的测量都是准确的,那就表明暗能量确实在变化,这可能会给我们一些了解量子场本质的线索。具体来说,如果暗能量在变化,那就意味着量子场本身也在变化。

新的敌人出现了

意大利帕多瓦大学的理论物理学家马西莫•塞尔多尼奥(Massimo Cerdonio)近期在预印本网站arXiv上发表了一篇论文,计算了暗能量变化所需的量子场变化量。

如果存在一个与暗能量变化有关的新量子场,那就意味着宇宙中存在一种新的粒子。塞尔多尼奥计算出的暗能量变化值要求特定的粒子质量,而这一质量刚好与此前预测的一种新粒子的质量大致相同,那就是所谓的轴子(axion)。物理学家提出这个假想粒子的原因,就是为了解决我们在理解强核力的量子理论时遇到的一些问题。

轴子可能出现于非常早期的宇宙,但一直“潜伏”在宇宙微波背景中,由其他力和粒子控制着宇宙的走向。现在可能轮到轴子发挥作用了……即便如此,我们还从未探测到轴子。如果科学家的计算是准确的,那就意味着轴子确实存在,充满了宇宙和宇宙中的量子场。或许轴子通过改变宇宙中暗能量的数量,已经引起了科学家的注意。尽管还从未在实验室里探测过这种粒子,但它可能正在最大的尺度上改变着宇宙。

新粒子要改变宇宙的命运:宇宙膨胀速率或与轴子有关

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