夸克和宇宙

huangdao007

尽管宇宙的这种神秘加速膨胀至今仍是最为困扰整个科学界的问题之一，但它又是我们目前对宇宙的认识中缺失的一块。直至20世纪90年代末，尽管暴涨和CDM理论在解释宇宙结构形成时很成功，但仍有一个很小的细节无法解释：越来越多的观测证据显示宇宙是平坦的、宇宙密度是等于临界密度的，但是宇宙中物质的密度只占整个临界密度的30%。那么，剩下的临界密度的70%到哪去了呢？宇宙的加速解决了这个问题：已经观测到的宇宙加速膨胀预示了一种极为光滑、弥散的能量的存在（现在被叫做暗能量），它可以解释宇宙中所缺失的70%的那一部分。尽管暗能量的存在看起来很荒唐，但当宇宙加速膨胀被发现的时候，我们目前的这个和谐宇宙模型（concordance model）也迅速地容纳了它。实际上，在发现暗能量之几年，两个理论文章就已经预言了它的存在。

　　在广义相对论的框架之内，暗能量能够解释宇宙的加速膨胀，这是因为爱因斯坦的理论早已预言了这种压强为负、起斥力作用的物质的存在。暗能量的理论从量子真空能、存在新的标量场到弦理论预言的不可见的额外空间维度，各式各样。与广义相对论的解释不同，最有意思的一种可能性是使用新的引力理论来解释宇宙加速膨胀，进而不需要假设暗能量的存在。

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　暗能量令人困惑的根源要追溯到量子力学的诞生和爱因斯坦著名的宇宙学常数项。根据量子力学中的测不准原理，真空应当是充满“虚粒子”的海洋。但是这些虚粒子所产生的效应却是实实在在的（它们会使得原子谱线偏移并改变基本粒子的质量），并且也已经被证实。大量粒子产生的压力等价于负的能量密度，在数学上就是爱因斯坦的宇宙学常数，量子真空能似乎为宇宙的加速膨胀提供合理的解释。然而，有一个小的问题：当理论家试图计算量子真空能量的时候，他们得到的数值却惊人得大。这就是所谓的宇宙学常数问题，它已经困扰了我们30多年，由于它现在和解释宇宙加速膨胀联系在了一起，因此我们无法再回避这个问题了。

　　现在，我们对宇宙的了解已经很多：它的形状、年龄、组成、暴涨开始的证据、从夸克汤到宇宙大尺度结构形成的时间线，但对于诸如宇宙中特殊原子混合物的存在、暗物质及暗能量的了解却不是很多。我们不了解暗物质究竟是什么，宇宙为什么加速膨胀，同样也不知道如果宇宙在早期确实经历了暴涨那么又是什么触发了它。与郎道曾经说的有所不同，今天的宇宙学家们很少出错但却经常被怀疑。

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随着新的加速器、望远镜和地面实验的出现，在未来的15年里宇宙学会得到更长足的发展。渺中子有可能在费米实验室的万亿电子伏对撞机或者在欧洲核研究组织（CERN）的大型强子对撞机中产生，又或者存在于银河中的渺中子和轴子有可能被及其灵敏的探测器探测到。以观测偏振为目标的新一代宇宙微波背景实验将能够揭示暴涨中的第三个也是最有决定性的信号（例如，在由时空度规中的量子涨落所产生的引力波）并且约束暴涨发生的时间。同时，暗能量空间望远镜也将会解释为什么宇宙在加速膨胀提供线索。

　　因为宇宙学和粒子物理的科学议程已经交织在了一起，所以随着我们对宇宙了解的不断深入，我们也会不断推进对支配宇宙的基本定律的认识。粒子物理学中最被看好的就是弦理论。但是如果弦理论要真正成为一个“万物之理”，那么它就需要一个“本垒打”。因为它目前的许多理论预言已经超出了地球实验室的范畴，许多弦理论家寄希望于宇宙学，例如对于暴涨的基本认识（或者是一个更为吸引人的解决方案），对宇宙加速膨胀的解释，更或者是洞察大爆炸本身的特性。

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在下一个15年里，宇宙学的未来并不清晰。像以前一样，宇宙再一次超出了我们的掌控。

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也许就像是粒子物理学家们希望他们的标准模型是成功的一样，我们会发现就宇宙学而言我们会有更高的精度但却没有更多的认识。