近二十年来,宇宙学家已经知道宇宙的膨胀正在加速,好像一些神秘的像气球一样将它吹起来。 什么暗能量仍然是物理学中最大的谜团之一。 现在,三位理论家认为暗能量可能来自一个令人惊讶的来源。 奇怪的是,他们说,黑暗的能量可能会发生,因为 - 与你在高中物理课上学到的东西相反 - 宇宙中的总能量不是固定的,或者是“守恒的”,但可能会逐渐消失。

“这是一个很好的探索方向,”南非开普敦大学的理论家乔治埃利斯说,他没有参与这项工作。 但英国诺丁汉大学的理论家安东尼奥帕迪拉说:“我不一定会买他们所做的。”

暗能量可能是一个充满空间的新领域,有点像电场。 或者它可能是空间本身的一部分 - 真空中固有的压力 - 称为宇宙学常数。 第二种情况与爱因斯坦的广义相对论理论很吻合,后者认为当质量和能量扭曲空间和时间时,引力会产生。 实际上,爱因斯坦通过在他着名的微分方程中加上一个常数来发明宇宙学常数 - 解释宇宙在自身引力下如何抵抗崩溃。 但是,在20世纪20年代,天文学家发现宇宙不是静止的,而是在膨胀,就像在爆炸中诞生一样,他放弃了这个想法是不必要的。

随着观察到宇宙的膨胀正在加速,宇宙常数已经卷土重来。 然而,带来量子力学和宇宙常数的情况变得棘手。 量子力学表明真空本身应该不知不觉地波动。 在广义相对论中,那些微小的量子涨落产生的能量将作为宇宙常数。 然而,它应该是120个数量级太大 - 足以消灭宇宙。 因此,解释为什么存在宇宙常数,但只是一点点,这对于物理学家来说是一个重大的概念难题。 (当不需要宇宙学常数时,理论家们认为某些尚未知的效应只是将其固定为零。)

现在,法国Aix-Marseille大学的Thibault Josset和Alejandro Perez以及墨西哥城墨西哥国立自治大学的Daniel Sudarsky表示他们已经找到了一种方法来获得宇宙常数的合理值。 它们以爱因斯坦自己发明的广义相对论变体开始,称为单模引力。 广义相对论假设一种称为一般协方差的数学对称性,它表示无论你如何标记或映射时空坐标 - 即事件的位置和时间 - 理论的预测必须是相同的。 这种对称性立即要求节约能量和动量。 单模引力具有该数学对称性的更有限的版本。

单模重力再现了广义相对论的大多数预测。 然而,在真空中,量子波动不会产生重力或增加宇宙常数,这又是一个可以设定为所需值的常数。 然而,这是一个成本。 单模引力不需要保存能量,因此理论家必须任意施加这种约束。

然而,现在,Josset,Perez和Sudarsky表明,在单模引力下,如果它们只是与它一起使用并允许违反能量和动量的守恒,它实际上设定了宇宙常数的值。 这个论点是数学的,但基本上宇宙中消失的微小能量通过逐渐改变宇宙常数而留下痕迹。 佩雷斯说:“在模型中,暗能量可以追踪宇宙历史中失去的能量和动量。”

为了证明该理论给出了合理的结果,理论家们考虑了两种情景,即如何在解决量子力学基础问题的理论中出现能量守恒的违反。 例如,一种称为连续自发定位(CSL)的理论试图解释为什么像电子一样的亚原子粒子可以同时在两个地方,但像汽车这样的大物体却不能。 CSL假设这样的两个地方一次性状态自发地崩溃到一个地方或另一个地方,其概率随着物体的大小而增加,使得大物体不可能保持在两地状态。 对CSL的打击是它不节约能源。 但理论家们表明,节约能量的数量大致足以给出正确尺寸的宇宙学常数。

加拿大滑铁卢周界理论物理研究所的理论家Lee Smolin说,这项工作的新颖之处在于利用违反能量守恒的方法将暗能量与量子理论的可能扩展联系起来。 “这绝不是决定性的,”他说。 “但这是一个有趣的假设,将这两件事结合在一起,据我所知,没有人曾试图将这两件事联系起来。”

然而,帕迪拉说,理论家正在玩数学玩法。 他们仍然必须假设宇宙学常数以一些他们无法解释的小值开始。 但埃利斯指出,物理学中充斥着无法解释的常数,如电子电荷或光速。 “这只会给长名单增加一个常数。”

帕迪拉还认为,这项工作与最大规模的现象不应该依赖于最小尺度的现象相反。 “你试图描述宇宙规模的东西,”他说。 “你真的希望它对量子力学的细节很敏感吗?” 但斯莫林认为,宇宙常数问题已经将宇宙和量子领域联系起来。 因此,他说,“这是一个可能是正确的新想法,因此值得开始感兴趣。”

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