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李淼的博客

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天空和实验室中的暗能量  

2009-11-12 22:47:46|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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(《新发现》专栏,勿转)

暗能量的发现已经有了10年以上的历史。当Adam Riess和Saul Perlmutter分别领导的两个小组发现宇宙加速膨胀时,如同历史上所有重大科学发现一样,给科学界带来地震,因为这个发现完全出乎意料,而且很难用已有的理论来解释。

我虽然为本专栏写过几次暗能量,这次还是有必要再重复一遍暗能量的特点。首先,它是一种能量,其次,它是一种不同于物质的能量。众所周知,牛顿万有 引力定律告诉我们,任何有质量的物体都会产生引力,例如地球,我们的体重就是地球引力的反映。结合爱因斯坦相对论中的质能关系,能量同样产生引力,例如分 子运动对能量有贡献,从而对物体的质量也有贡献,分子运动从而也产生引力。极端的能量的例子是光子,单个光子本身没有质量却有能量,一个光子组成的气体也 产生引力。

在宇宙学中,不论是普通的低速粒子还是高速的光子,它们都产生引力,从而使得宇宙膨胀的速度越来越小。暗能量,既不同于低速粒子也不同于光子,它产 生的力不是引力却是排斥力。有了暗能量,宇宙膨胀的速度有可能越来越大。Riess和Perlmutter等人发现的是宇宙加速膨胀,这个加速度极有可能 是暗能量导致的。在暗能量之外,也存在其他理论解释宇宙加速膨胀,例如有人认为引力理论在宇宙的尺度上被修改了,还有人认为宇宙不是均匀的,而是有着类似 洋葱的结构。但暗能量是宇宙加速最简单的解释,大多数人采取这个解释。

那么,暗能量是如何提供排斥力的呢?直观上,很难理解暗能量会提供斥力,因为这似乎与爱因斯坦的理论矛盾。有一个不是非常直观的解释。我们知道,粒 子和光子的运动提供能量,同时也提供压力,爱因斯坦理论告诉我们,压力对引力也有贡献,这其实和运动对能量有贡献类似(压力是运动产生的)。粒子的运动速 度很低时,压力基本可以忽略,而接近光速运动的粒子有着很大的压力,光压在实验室是直接可以测量的。光压也产生引力,它对宇宙减速的贡献和能量对宇宙减速 的贡献一样大!

现在,我们可以解释为什么暗能量会产生斥力了。暗能量对宇宙加速有两个贡献。首先是能量的贡献,这部分产生引力也就是减速度,但是,暗能量的压力部 分产生斥力,当这个斥力的绝对大小超过引力时,宇宙就被加速了。所以,任何一个暗能量模型都要满足这个要求:压力是负的,且压力产生的斥力大于能量产生的 引力。

宇宙即天上的暗能量的测量有很多种。最典型的就是Riess和Perlmutter最初采用的那种,通过选取宇宙中的“路灯”来测量不同距离上宇宙 的速度,假定这些路灯与宇宙膨胀一同运动。现在,大家承认同时距离又很大的路灯是Ia型超新星。超新星爆发的能量是很大的,所以即使它们很远我们也能通过 巨大的望远镜看到。另外还有一种能量更大的天体,即伽玛暴,它们可能在更远的距离上被我们看到。但是伽玛暴是否是合适的路灯还存在争议,因为我们不知道它 们的能量范围是否是固定的,因此我们不能通过视亮度来决定它们到底有多远。

宇宙膨胀的历史还会在其它观测实验中体现出来,例如微波背景辐射,大尺度结构中的一些细节。这些数据也能帮助我们决定宇宙的加速度。到目前为止,所有体现宇宙膨胀历史的数据都支持宇宙是加速的,从而支持暗能量的存在。

天空中的实验往往耗资巨大,费时长久。例如,计划中的所谓联合暗能量使命这个巨大计划有可能因主要支持单位美国能源部和美国航天署的争吵而搁浅(第 三个伙伴欧洲航天局也加入了争吵)。即使这项计划最终能够顺利执行,等到升空大约是7年以后,等到它带给我们关于暗能量的信息需要更长的时间。

那么,暗能量是否可以在实验室中直接探测到?如果我们能够在实验室中直接测量暗能量,也许就可以在花费较少周期较短的情况下找到暗能量的性质。如果 我们试图在实验室探测和天空中一样的暗能量,答案很可能是否定的,因为暗能量虽然主导宇宙,但它的密度非常低,低到每立方米只有几个质子大小的能量。而 且,暗能量很可能就是真空能,真空能除了引力作用外还不知道是否有其他作用。

不过,事情并没有看上去这么绝望。我们知道,很久以前Casimir曾经发现两块很大的平行导电板之间的真空能不同于无限大空间中的真空能,其能量 密度依赖于平行导电板之间的距离,从而产生引力。这种Casimir力已经被实验物理学家成功地测量到了。后来,前苏联物理学家Lifshitz发现,如 果导电板被介电常数有限的介电媒介板代替,两块板之间是介质而不是真空,那么真空能甚至产生斥力。

Casimir-Lifshitz力与两块板之间的距离的四次方成反比,这是因为两块板之间的能量密度与距离的四次方成反比,和宇宙中的暗能量完全 不同。观测数据告诉我们,宇宙中的能量密度与宇宙大小的平方成反比,总能量与宇宙的尺度成正比。假如我们设计一种所谓超颖材料来模拟宇宙,那么超颖材料的 能量密度也应该和该材料的大小的平方成反比,总能量与材料的大小成正比,而且与Casimir能量不同的是,这个真空能应该是正的而不是负的!

最近我和两位学生做了一个计算,发现按照一定设计制造出来的超颖材料的真空能的确是正的并且与材料大小成正比。如果我们能够在实验室中测量到这个能量,那么,我们猜测,天空中的暗能量很可能就是Casimir能量。

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