新理論:暗能量來自量子引力

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【大紀元2021年11月12日訊】(大紀元記者笛睿編譯報導)在過去幾十年裡,多數天體物理學家都認同用「暗能量」(dark energy)來解釋加速膨脹的宇宙,但是至今這個理論仍沒有實質性的進展。

另一方面,引力學和現代的量子力學,是當代物理學的兩大支柱理論。前者解釋宏觀世界,後者解釋微觀世界,可是兩個理論具有很多不相容的地方。很多科學家在想,應該有一套量子引力學理論把兩者銜接起來。

一份新研究提出了量子引力學新設想,並能夠解釋暗能量的作用:暗能量很可能就是引力在微觀層面所體現出來的量子特性。它們起到像酵母菌的作用,在宇宙體積達到一定規模的時候,就像烤箱溫度足夠的時候,它們的作用開始體現——推動宇宙加速膨脹。

最早在上個世紀90年代,天文學家發現我們所處的宇宙不僅在膨脹,而且是在加速膨脹。這給物理學認知提出了挑戰:因為按照現有理論,宇宙中所有的物質加在一起所產生的引力,應該會讓宇宙最終開始縮小,或者至少應該是減速膨脹。

可是科學家觀測到的事實卻是宇宙在加速膨脹。於是擺在物理學家面前的難題是:就像人們向空中拋出一個球,它卻加速飛上天去,這該怎麼解釋?所以科學家認為,宇宙中應該還存在一種未知的力量(他們把它叫做「暗能量」)在起作用,推動宇宙加速膨脹。自從這個理論推出至今還沒有更多進展,暗能量仍然是宇宙學的謎題。

這份新研究的主要研究者之一德國慕尼黑大學(University of Munich)的奧里蒂(Daniele Oriti)告訴美國科學人(Scientific American)雜誌,這有點像酵母菌在烤麵包過程所發揮的作用,當烤箱熱到一定程度的時候,酵母菌的作用才體現出來——麵包快速漲大。他們的理論提出,微觀下的量子引力就像酵母菌,當宇宙的體積達到一定程度,量子引力的效用開始體現——導致宇宙加速膨脹。

奧里蒂說,他們的新理論是構建量子引力學的一個很好的嘗試,按照這個理論模擬的宇宙演化模型,可以很好地解釋暗能量推動宇宙膨脹的現象,特別是能解釋為什麼現在正在加速膨脹的現象,和現在觀測到的情況完全符合。

奧里蒂解釋說,他們認為無數微小的、不連續的量子物體構成了周圍這個可見時空維度之下的更深層次的一個子結構,就像一個隱秘的底層世界。「用(人類的)思維很難想象這些量子物體,它們是構成時空的基礎單元。它們不處於這個時空,但是這個時空卻是由它們所構成的。」

奧里蒂說,子時空結構內量子物體之間相互的作用,會導致宇宙膨脹,而且它們的作用在可見時空內的體現形式經過了一個過程。「在宇宙初期,體積較小的時候,量子物體之間的相互作用在這個時空不表現出來。可是,由於宇宙不斷膨脹,到了一定階段,這些量子物質之間的相互作用就在這個空間體現出來了。」

沒有參與這份研究的同行德國馬克斯普朗克引力物理研究所(Max Planck Institute for Gravitational Physics)的物理學家塞拉諾(Ana Alonso Serrano)說:「量子引力模型所推導出的暗能量現象很有意思,我認為量子引力理論是一個重要的探索方向,可以進一步用這個理論模型對宇宙做出預測,並和觀測到的情況做對比。」

這份研究6月21日發表在預印網arXiv上,並已提交給《宇宙學與天體物理學雜誌 》(Journal of Cosmology and Astroparticle Physics)等待發表。◇

責任編輯:葉紫微

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