《自然》:扭曲的光的暗示為暗能量的本性提供了線索

2020-12-02 量子認知

在最新一期的《自然》雜誌上刊登了一篇重要文章，題為：「扭曲的光的暗示為暗能量的本性提供了線索」。宇宙學家認為，一種被稱為「第五元素」的奇特物質可能會加速宇宙的擴張，物理學家說我們的宇宙可能充滿了這種神秘物質。

在物理學中，第五元素，英語：quintessence，又譯作精質，更確切地說是標量場，被認為是對觀察宇宙加速膨脹的解釋。1998年首次提出這個詞，這個概念被擴展為時變暗能量的更一般類型。一些物理學家提議將其作為第五基本力量。它與暗能量的宇宙學常數解釋不同，在於它是動態的。就是說，它隨時間變化，這與宇宙常數不同，宇宙常數從定義上說不會變化。

第五元素（Q）是一個標量場，具有狀態方程，其中wq，壓力pq與密度之比由勢能給定V（Q）和一個動力學項：

因此，第五元素是動態的，並且通常具有隨時間變化的密度和wq參數。相反，宇宙常數是靜態的，具有固定的能量密度，wq = -1。

宇宙學家說，他們已經發現了很多年前的光在宇宙中移動的方式的一種有趣的扭曲跡象，這可能為暗能量的性質提供線索。暗能量似乎正在推動宇宙以更快的速度膨脹。在普朗克太空望遠鏡收集的宇宙微波背景（CMB）數據中識別出的光扭曲和宇宙的加速可能是由宇宙的「第五元素」產生的，這種奇異的物質普遍存在於宇宙中。

因此，這樣的發現需要對當前理論進行重大修改，物理學家警告說，證據還是暫時的，它不符合用於確定信號是否為發現的「5 sigma」閾值。但它強調了這樣一個事實，即現代宇宙學對宇宙的認知仍然不完整。

以專門研究量子力學、引力和宇宙學著名的理論物理學家、肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）說，如果暗能量是一個典型，那麼它對膨脹的推動可能會緩慢地消失，甚至可能逆轉而成為一種吸引力，從而導致宇宙「崩潰大危機」。」這項研究發表在最近的《物理評論快報》上。

第五要素

1998年，來自兩次超新星的單獨調查，首次發現了未知力量正在推動宇宙膨脹加速的直接證據。此後，許多其他研究證實了這種被稱為暗能量的力量的存在，提供了關於其性質的寶貴信息。

研究人員的第一個猜測（目前仍然是主流理論）是暗能量是空間的固有屬性，這意味著每單位空間體積的暗能量的數量被固定為「宇宙常數」。但是一些宇宙學家認為，暗能量完全是由其它物質構成的。他們稱其為第五元素或以太之後的典型概念，即古希臘哲學家對一種看不見的物質賦予的名稱，認為該物質填滿了宇宙的所有空白空間。

達特茅斯學院的宇宙學家羅伯特·考德威爾（Robert Caldwell）表示，與宇宙學常數不同，「第五元素是一種有形的媒介，它本身具有波動性」，他是最早提出這種物質存在的研究者之一。他說，第五元素可能具有介於物質和宇宙常數之間的性質。隨著宇宙的膨脹，宇宙常數將保持恆定的密度，而第五元素的密度將減小，儘管不如物質密度快，物質密度隨著星系的分布而下降。

1998年，卡羅爾提出了一項關於第五元素3（quintessence3）的實驗性測試，基於這一預測會改變光在太空中的傳播方式。霍普金斯大學理論物理學家馬克·卡米翁科夫斯基（Marc Kamionkowski）領導的小組計算出了如何在宇宙微波背景中測量這種效應，宇宙微波背景通常被稱為大爆炸的餘輝。研究人員建議，有可能通過查看宇宙微波背景上的偏振光圖來檢測典型現象。當光的電場在一個特定的方向而不是隨機的方向「擺動」時，它就會偏振。該理論說，第五元素扭曲了極化指向的方向，這種方式可以通過觀察整個天空的極化來檢測。

日本筑波高能加速器研究組織的物理學家Yuto Minami和普朗克天體物理研究所的物理學家Eiichiro Komatsu，去年使用他們報告的一種新技術能夠檢測出第五元素的跡象5。普林斯頓大學的著名女物理學家Suzanne Staggs說，他們的研究結果與其他小組的研究結果不同，其他小組的研究查看了宇宙微波背景極化圖，沒有發現任何扭曲，她的團隊使用阿塔卡馬宇宙望遠鏡（ACT）測量了宇宙微波背景輻射。她的小組計劃在ACT數據上嘗試使用他們的技術。她說：「我們有興趣探索它。」

重大影響

英國劍橋大學著名的宇宙學家喬治·埃夫斯塔硫（George Efstathiou）說，這篇論文是「相當不錯的分析」，但是普朗克信號中的噪聲可能是一個複雜的因素。

物理理論學家也在謹慎地回應。卡羅爾說：「如果它是真實的，那就大了。」但是他指出，結果的統計意義（僅為2.5 sigma）微弱，並表示，在進一步審查後，這種結果通常會逐漸消失。

第五元素的存在不僅對宇宙學而且對基礎物理學都有影響：粒子物理學的標準模型也無法預測任何第五元素。如果能把第五元素作為解釋的話，它將對宇宙特徵的最佳估計（包括年齡）產生連鎖反應，這可能比宇宙學家根據普朗克數據計算的138億年還年輕。這也可能有助於解釋為什麼宇宙微波背景數據預測宇宙應該以比目前觀察到的慢的速度擴張。

卡洛爾對《自然》雜誌記者說：「我們對宇宙將如何結束的認知又回歸為零。」

參考：https://www.nature.com/articles/d41586-020-03201-8?utm_medium=affiliate&utm_source=commission_junction&utm_campaign=3_nsn6445_deeplink_PID100044684&utm_content=deeplink

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