宇宙为什么会加速膨胀

2015-05-07 18:40:13
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我为《新发现》写专栏已经快九年了,九年来,几乎每年我都会写到宇宙加速膨胀。这有两个原因,一个原因是天文学观测每年总会为我们提供宇宙加速膨胀的新证据,另一个原因是我们一直还不能理解宇宙为什么会加速膨胀。

 

当然,物理学界和天文学界的主流观点认为,宇宙中存在着一种神秘的能量,这种能量之间不仅不产生万有引力,反而产生万有斥力,万有斥力随着空间尺度的增大而变强,因此即使在太阳系和银河系尺度上万有引力依然主导,在百亿光年的尺度上,万有斥力成为主导的力量,这样就使得宇宙膨胀的速度越来越快。打个比方,就像我们在一只被抛上天空的苹果后面加了一个推进器,苹果不仅不会落下来,其离开地球的速度反而会越来越大。

 

物理学家将产生万有斥力的神秘能量称为暗能量,因为这种能量除了产生斥力之外,不会导致任何可能被观测到的其他物理现象,这也是物理学家对暗能量感到头疼的原因,因为标准的物理理论中除了真空能,还没有任何其他能量有这种怪异的特点。

 

你可能会说,既然真空能可以产生万有斥力而不导致其他物理现象,那就用真空能解释万有斥力好了,为什么物理学家还不满意?

 

物理学家不满意的主要原因是,我们无法解释真空能为什么恰好这么大,为什么恰好是其他物质能量的三倍左右。倒退回一百亿年前,因为真空能密度不会变化,而物质密度随宇宙尺度变化,那时的真空能比物质密度要小。考虑一个极端情况,如果我们回到宇宙大爆炸的最初三分钟,那时的物质密度是真空能密度的许多许多倍,真空能密度对宇宙的膨胀不产生任何可见的影响。因此,这就带来一个难以回答的问题,为什么当人类出现之后,真空能密度恰好赶上并超过了物质密度?这个问题被物理学家叫做巧合问题。

 

过去,我不止一次地在我的专栏中宣传过我自己的关于暗能量的理论,这个理论叫做全息暗能量模型,在这个模型中,暗能量有一个奇怪的特点,它的密度只有到了今天才大致不变,而在宇宙的早期是变化的,特别的,在宇宙的暴涨时期,它被宇宙暴涨迅速稀释,这样,当宇宙暴涨结束时,物质密度远远超过了暗能量的密度,这是为什么当宇宙只有三分钟的时候,物质密度远远大于暗能量密度,而到了今天,暗能量密度终于又赶上并超过了物质密度。

 

我对这个模型感到相当满意,在过去11年中,每年都会写一篇甚至多篇论文研究这个模型。当然,我到今天也还不能从某个基本物理学原理出发推导出全息暗能量模型。

 

最近,由于一个偶然的事情,我再一次想到霍金的无界宇宙理论。这个理论在去年美国的电影《万物理论》中被提到,我想,也许现在是重新思考无界理论的时候了,因为,几乎从来没有人想过霍金的理论与暗能量之间的关系。既然没有人想过,为什么我不想上一想?

 

霍金的无界理论其实不是霍金一个人提出来的,是他和物理学家哈特尔在上世纪八十年代初一起提出来的,两人也一起写了一篇论文,这篇论文到了今天被其他物理学家引用了近两千次。其实,无界理论可以追朔到上世纪六十年代,两位研究爱因斯坦理论的重要物理学家惠勒和德维特提出整个宇宙必须满足一种量子力学方程,这个方程很类似量子力学中的薛定谔方程,只是不含时间,因为时间本身在宇宙学中是一个衍生概念,也就是说,当宇宙膨胀了,时间就出现了。霍金和哈特尔提出了满足惠勒-德维特方程的一个特殊解。

 

当我和两位年轻人——我的学生黄越和我的博士后黄鹏——重新讨论惠勒-德维特方程的时候,我们得到了一个令我们十分惊讶的发现:如果我们要求整个宇宙的波函数有一个有限的几率解释,那么宇宙必须加速膨胀。

 

目前,这是一个数学结果,我们正在寻找这个数学结果的物理原因,也就是说,宇宙加速膨胀就导致宇宙波函数有有限几率,反之亦然,这到底是为什么?

 

为了解释波函数有限几率的含义,我来举一个简单的例子。考虑一个基本粒子,如电子,均匀地分布在整个空间,此时,粒子在任何一个地方的几率都相等,这样,粒子的波函数就不会有有限的几率,因为均匀的几率导致粒子在整个无限大空间中得几率变得无限大——除非我们假设粒子在任何一个地方的几率为0。什么时候粒子的几率是有限的?只有当我们将这个基本粒子放在有限的空间中才会这样,比如在某个有限的空间中粒子的几率是均匀的,那么在这个空间中任何一个地方的单位体积中粒子的几率是这个有限空间体积的倒数。

 

换句话说,如果宇宙加速膨胀,那么,宇宙的几率在任何一个几何上是有限的,并且在所有可能的情况下是有限的,这自然是一个令人惊讶的结果。我们可以想象,也许创造宇宙的上帝不喜欢无限大,他希望几率本身是可计算的,这样,宇宙波函数的几率必须是有限的,从而宇宙必须加速膨胀。

 

这是一个想当然的解释,其背后的真正物理图像并不清楚。我希望,也许当我们理解了背后的物理故事之后,我们也就真正理解了宇宙为什么会加速膨胀。

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名家简介
李淼简介:
男,1962年10月出生。中国科学技术大学交叉学科理论研究中心教授,研究方向包括超弦理论、量子引力等。
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