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爱因斯坦“一生最大的错误”

时间: 2021年03月01日 | 作者: Clara Moskowitz | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
宇宙学常数来源于爱因斯坦场方程,曾被爱因斯坦认为是“自己一生中最大的错误”。



但事实上,它比爱因斯坦当时的认知还要复杂得多。在量子理论预测的数值与宇宙观测得到的数值之间,是无法忽视的120个量级的巨大鸿沟……


撰文 | 克拉拉·莫斯科维茨(Clara Moskowitz)

翻译 | 许峰玮


每一处看似空无一物的地方,实际上都存在一些东西。如果放大宇宙中一片空荡荡的区域,你会发现一片动态的景象——粒子快速地产生又几乎立刻消失。掌管着微观世界的量子力学理论并不允许所谓“虚无”的存在。严格意义上,在任何给定的时空中,能量永远都不会等于零,总会存在一些“回旋的余地”。


正是因为有这样的“余地”,虚粒子才得以产生——具体来说,一对正负粒子在这个过程中产生了;但来也匆匆,去也匆匆,它们又会很快湮灭消失。虽然这听起来很奇怪,但是实验的确观测到了由虚粒子产生的真实物理效应。


虚粒子快速产生又湮灭,实际上就是充斥于整个宇宙空间的“真空能”的涨落。这种活动是暗能量最可能的解释,而后者是宇宙既非静态,又非以固定速度膨胀,而是每时每刻都在加速膨胀的原因。


真空能的问题在于它不够大。当科学家首次想到用这个概念来解释宇宙加速膨胀时,他们通过量子力学计算了真空能的大小,发现它应该很大。这种能量应该会极快地推动宇宙膨胀,致使物质密度快速下降,恒星与星系都无法形成。很明显,我们的宇宙并不是这样,因此真空能必须非常小——大约需要比计算结果小120个量级。这样巨大的差异让很多科学家调侃真空能是“整个物理历史上最糟糕的理论预言”。


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广义相对论方程中有一个常数项,叫做“宇宙学常数”,物理学家认为,这个常数表示的其实就是真空能。理论预言的真空能与测量值之间巨大的差异,通常被称为宇宙学常数疑难。


这个谜题吸引了一批顶尖物理学家的注意,他们为此提出了许多新理论。去年,纽约大学的物理学家格雷戈里·加巴达泽(Gregory Gabadadze)在布朗大学物理学系做了一小时关于真空能问题的报告。该报告总结了目前为止理论学家提出的所有解决方案。报告结束,一位观众问格雷戈里在这些想法他最倾向哪个,“一个也不,”他回答道。他认为这些想法都太“激进”了,或多或少都需要“放弃一些不可动摇的原理”。


但是一些物理家认为,这些新的理论工作实际上为解决当前的真空能“窘境”注入了新的活力。目前,检测引力的高精度实验以及引力波天文学的进步,为检验那些理论想法提供了希望。我们可以用实验测试理论模型的正确性,或者至少排除这些模型的可能性。



问题的产生


宇宙学常数有着一段一波三折的历史。爱因斯坦在1917首次提出了宇宙学常数,为他的广义相对论场方程打上了一个数学补丁,确保能够给出一个静态宇宙。这是由于当时他和其他科学家都认为宇宙应该是静止不动的。但是,1929年天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)测量了许多星系的速度,发现这些星系纷纷离我们远去。更有意思的是,星系距离我们越远,退行速度就越快。哈勃的测量结果表明,整个空间每一处都在膨胀。面对这样一个不容置疑的发现,爱因斯坦在几年后终于决定将这个常数去掉。根据物理学家乔治·盖莫(George Gamow)的说法,爱因斯坦认为加入宇宙学常数是他物理学生涯里“最大的错误”。


在很长一段时间里,宇宙学常数似乎已经被历史遗弃,但它却在悄悄准备着卷土重来。上世纪90年代末期,两个互相竞争的天文学团队通过对超新星的观测发现,宇宙压根就没有减速膨胀,反而是一直在加速膨胀。这个令人震惊的发现为三位团队领导者赢得了诺贝尔物理学奖,并且促使宇宙学家迈克尔·特纳(Michael Turner)为这种导致宇宙加速的神秘的力发明了一个专有名词“暗能量”。很快,物理学家就提出暗能量的来源可能正是宇宙学常数,换句话说,也就是真空能。“或许在爱因斯坦的错误中,恰恰隐含着凡人再怎么也无法企及的洞悉力。”索尔·珀尔马特(Saul Perlmutter,宇宙加速膨胀的发现者之一)这样写道。


尽管宇宙学常数的加入再次让爱因斯坦场方程维持了平衡,给出了一个与观测相符的加速宇宙解,但这个宇宙学常数的值却并不合理。事实上,它的引入让问题变得更严峻了。此前,在宇宙学常数坐冷板凳那段时间里,物理学家将广义相对论中的这个常数项和量子力学中的真空能联系了起来。但是正如之前所说,真空能应该比这大得多。


第一个注意到不对劲的人是物理学家沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)。他在20世纪20年代就发现这种能量太大了,以至于宇宙膨胀过快,来自于邻近天体的光都无法赶上膨胀的速度。泡利发现,整个可观测宇宙大小“甚至无法达到月球”。第一位正式计算宇宙学常数值的人是雅科夫·泽尔多维奇(Yakov Zeldovich)。基于量子理论对真空能的预言,他在1967年发现真空能会使宇宙学常数非常巨大。但是当时,科学家普遍认为宇宙以稳定或者减小的速度膨胀,因此大部分人相信宇宙学常数应该是零。由此,宇宙学常数问题诞生了。


30年后,当科学家逐渐认识到宇宙的膨胀是加速的,该问题并没有得到解决。我们所观测到的宇宙膨胀加速度的大小,虽然在当时的确令人震惊,但与量子理论的预言想比还是小巫见大巫。在某种程度上来说,重新引入宇宙学常数项反而让这个困扰人们的问题更加糟糕了。之前我们只需要思考为什么这个常数应该精确地等于零,但现在我们需要思考的是,这个常数为什么仅仅比零大一点,这更加令人头疼。



丰富的理论


虽然有大量的物理学家怀着热枕之心,试图解决这个棘手的问题,但令人失落的是,目前的进展非常缓慢。自从泽尔多维奇指出这个问题已经过去50多年了,可迄今为止,还没有一个站得住脚的、被人们接受的解释。大多数用于解决宇宙学常数问题的方案可以归为3类:修改广义相对论的场方程来描述宇宙膨胀,修正量子场论方程给出合理的真空能预言,以及考虑一些全新的东西。


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宇宙学常数问题是物理学中一个重要的未解之谜:作为爱因斯坦广义相对论场方程中的一部分,该常数的值似乎远远小于理论的预言。这个谜团的核心存在三个互相缠绕的概念——真空能(无物质的空间自带的能量)、暗能量(导致宇宙加速膨胀的原因)和宇宙学常数本身。


修改广义相对论可以改变宇宙学常数所扮演的数学角色,或者完全把它移除。比如,得克萨斯大学奥斯汀分校的理论物理学家凯瑟琳·弗里兹(Katherine Freese)和同事就试图通过改变广义相对论的计算,来消除宇宙加速膨胀对宇宙学常数的依赖。弗里兹说:“物质和光子成分可能已经足够了,不需要加入任何在场方程中的扮演其他角色的新成分。”在她的模型中,除了我们可观测的四维时空之外,还要考虑额外的维度,而这些额外的维度可能隐藏在我们的视野之外。


如果广义相对论并不是问题所在,那么或许量子力学才是。一些理论物理学家认为,计算真空能的量子场论方法或许有问题。德国莱比锡大学的斯特凡·霍兰兹(Stefan Hollands)和同事对将正则量子方程用于弯曲时空表示质疑,他们认为该方程仅适用于平坦空间内。如果物理学家能够修正在弯曲时空下的正则量子方程,就能解决宇宙学常数的问题。


不过,解决该问题需要的可能不仅仅是在数学上巧妙地修改传统方程。近期,加利福尼亚大学戴维斯分校的史蒂夫·卡利普(Steve Carlip)提出了一个非主流的观点,他认为时空从根本上说是由“泡沫”构成的。在他的物理图景中,空间曲率总是在远远小于我们探测极限的尺度上不断涨落。所有这些极小尺度的涨落会构成复杂的拓扑结构,很大程度上抹除了大部分由宇宙学常数带来的影响,使其在局部尺度上难以表现出来。


另外一个非常著名却让人讨厌的宇宙学常数解决方案被称为人择原理(anthropic principle)。这个方案认为,我们宇宙中的宇宙学常数的确拥有一个可能性极低的值,并将其解释为我们生活在一个多元宇宙中。如果我们的宇宙只是宇宙海洋中的一个泡泡,而海洋中每一个泡泡里的物理规律和常数都存在差异,那就肯定存在一个拥有这样宇宙学常数的宇宙。更重要的是,大多数的泡泡并不能像我们的宇宙一样,允许星系、恒星、星系或是生命存在,因此我们发现自己身处极小概率的离群值里,也是预料之中的事情了。弦论学家试图通过这套逻辑从根本上解决宇宙学常数问题,不过,其他的物理学家则认为这是站不住脚的理念。



常数还是精质?


宇宙学常数仍旧是对导致宇宙加速膨胀的暗能量最好的解释。但是如果暗能量其实与宇宙学常数,或者说真空能一点关系都没有呢?在这种情况下,暗能量可能正是精质(quintessence,又译作第五元素)的表现形式。


精质这个概念的提出是为了解释宇宙的加速膨胀。精质是某种形式的能量,它遍布整个空间,具有负压强,会随着时间变化。精质理论的一个分支是幻能量(phantom energy),即一种假想中的能量,其密度随着宇宙年龄增长而增加,直到空间因失控的膨胀而被撕裂,粒子间距趋于无限大,最终出现“大撕裂”。


为了检验暗能量是由精质还是由宇宙学常数导致的,科学家必须确定暗能量的强度是否会随着时间改变。有多个观测项目在搜集宇宙不同年龄阶段空间膨胀速率的数据,其中一个例子便是为期六年的“暗能量巡天”(Dark Energy Survey)。该项目利用坐落于智利的光学望远镜维克托·布兰科望远镜(the Victor Blanco Telescope)对大范围天区内不同距离处的星系进行观测,确定它们的位置。目前来看,各种迹象都表明暗能量是一个常数。另外一种确定精质是否真实存在的方法是,寻找这种能量导致自然基本常数随时间变化的证据。目前,没有任何证据表明这些常数发生了变化。


在接下来的几十年中,新的观测将让科学家更清楚地判断宇宙学常数(以及其背后的真空能)是否是暗能量的来源。贝拉·鲁宾天文台(The Vera Rubin Observatory)的远古时空巡天项目(Legacy Survey of Space and Time)会极大地提升对宇宙膨胀历史的探测精度。或许在不远的将来,科学家能更明确地会回答这些棘手的问题——是否有精质存在,宇宙的膨胀是否由常数决定。



时空涟漪和中子星


如果,正如现有证据显示的那样,暗能量真的是宇宙学常数的结果,那么我们仍有机会筛选那些解释为何宇宙学常数如此之小的多种多样的理论。即将到来的实验和天文学观测可能会提供区分不同理论的方法,从而排除一些理论,甚至还有可能为其他理论提供一些支持。


五年前,科学家获得了一种探测宇宙的全新方法,这就是引力波,它是巨大质量的天体碰撞时产生的时空涟漪。引力波天文台,例如美国的激光干涉引力波观测台(LIGO)以及欧洲的室女座引力波探测器(Virgo),正在联合搜寻那些由宇宙灾难性事件产生的引力波。这些引力波事件可在研究真空能的性质时发挥重要作用。一些尝试解决宇宙学常数疑难的理论需要修改广义相对论,那么它们所预言的引力波传播速度可能会略小于光速。不过事实似乎表明,引力波几乎是和光同时达到的,足以排除掉这些理论了。


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当双中子星碰撞时,产生的引力波可以帮助物理学家研究宇宙学常数。


引力波同样揭示了中子星内部奇怪的活动。这些超新星爆发遗留下的天体如此致密,以至于内部原子结构瓦解,原子中的电子被压进质子,变成中子,最后整个天体中只剩下中子。这种奇异的状态会激发出奇异的现象,例如,中子星的内核可能会含有全新的物质状态,导致内部真空能量级发生跳变。引力波观测可能会对该种额外真空能的引力效应很敏感,是揭示真空能本质的种子选手之一。


天体物理实验在宇宙尺度上寻找证据,而那些距离我们近一点的实验其实也可以帮助研究者筛选宇宙学常数的各种假说。在最小尺度上探测宇宙的实验室设施可能对一些物理学家提出的修正广义相对论非常敏感。


一个具有代表性的例子是华盛顿大学厄特-沃什小组(Eöt-Wash group)的工作。该小组成员使用极高灵敏度的平衡实验来精确测试引力。他们的设备被称为扭秤(torsion balance):这个极高精度的实验允许研究人员探测引力在数十万分之一米尺度下的行为。如果引力如某些理论所预言的那样,真的在这样近的距离上减弱了,或者空间存在微小的额外维度,厄特-沃什小组就能把它们找出来。目前,引力仍然始终遵循着牛顿和爱因斯坦的定律,隐藏的维度也没有现身,不过科学家始终在调整他们的设备,致力于探测越来越微小的尺度。


尽管困难重重,物理学家仍旧希望在不久的将来,会有一个最终的解决方案。或许这些试图理解宇宙学常数的努力能揭示量子力学和广义相对论之下更深层次的真理。或许科学家会发现一种更简单的解决方法。尽管他们寻找的方案可能不会成功,不过这些物理学家仍然沉醉其中,享受着解决问题的过程。