暗能量是变色龙吗?

[ 录入者:Melipal | 时间:2015-09-13 18:12:34 | 作者:Melipal 译 | 来源:Sky & Telescope | 浏览:7200次 ]

原文标题:Is Dark Energy a Chameleon?

作者:Monica Young   原文来自:SkyandTelescope.com   Posted: 2015. 8. 24

编译:Melipal 

一项地面实验否定了暗能量的一种理论。暗能量是让宇宙彼此分离的神秘力量。

21世纪最奇怪的一个发现是,宇宙正在加速膨胀着。加速膨胀背后的罪魁名叫暗能量,之所以这样称呼是因为人们找不到更好的名词。它是一种未知的作用力,正在推进着宇宙的膨胀,因此随着时间的推移,星系彼此越来越快地分离开来。然而除了它与宇宙命运的关系之外,天文学家并不知道暗能量是什么东西。

上图描绘了大爆炸之后宇宙膨胀速率的变化。天文学家观测到,大约75亿年前,一种神秘的力量开始发挥作用,让星系以越来越快的速度彼此分离。(图片提供:NASA / WMAP)

现在一项着实令人叹为观止的新实验减小了可能性的范围。8月21日的《科学》杂志报告了这项实验。

科学家提出了两种解释暗能量本质的理论。一种观点认为,它是禁锢在空荡荡的空间本身之中的能量,也就是宇宙学常数。这个名字是名副其实的,宇宙学常数在大爆炸后应该保持不变。不过这一理论存在一些问题,最重要的是,它预言宇宙真空中的暗能量密度比实际高了120个数量级(哎呀)。

另一派观点认为,暗能量是精质(quintessence),也就是并不一定保持恒定的第5种基本作用力。它可能是在宇宙早期的某一时刻出现的,或许有朝一日会再度逐渐减弱。但是到现在为止,科学家还没能在实验室中探测到这第5种作用力。因此在2004年,当时来自哥伦比亚大学的贾斯廷·库利(Justin Khoury)与阿曼达·韦尔特曼(Amanda Weltman)提出了一种修正理论:变色龙

在物理学的世界中,粒子与作用力是同一个硬币的两面,粒子发挥着“作用力载体”的作用。变色龙粒子携带着变色龙力,这些粒子就好像它们的同名动物一样,可以自我调节适应周边环境,免遭探测。不过这些粒子不会改变颜色,而是会改变质量。

在地球上的高密度环境下,该理论认为,变色龙粒子会具有较高质量,而质量较大的亚原子粒子是难以探测的。因此它们所携带的第5种作用力变得很微弱,不可能被测量到。但是在更加空旷的宇宙空间中,变色龙粒子会损失质量。因此就可以在更长的距离上感知它们所代表的基本作用力,这样的作用力就可以在宇宙学尺度上发挥作用,影响宇宙的演化。

捕捉变色龙

将近10年来,库利和韦尔特曼提出的巧妙理论都是无法进行实际检验的,检验的难度太高了。随后在2014年初,来自英国诺丁汉(Nottingham)大学的克莱尔·伯雷奇(Clare Burrage)及其同事开发了一种实验概念,可以实现这个目标。

他们称,实验的关键是要使用真空。在真空中,科学家可以避开物质阻碍,检验这种变色龙力。(细节请阅读绝佳的文章《真空室中的变色龙》

艺术家笔下实验使用的铝球、铯原子(紫色斑点)以及每闪烁一次就从铝球一侧穿行到另一侧的激光束。(图片提供:Simca Bouma)

当来自加州大学伯克利分校的保罗·汉密尔顿(Paul Hamilton)阅读了伯雷奇及其同事撰写的论文之后,他意识到,他可以凭借曾经协助开发的一项实验来进行这个检验。

汉密尔顿与同样来自加州大学伯克利分校的霍尔格·米勒(Holger Müller)曾建造了一个小型球体真空室,直径只有10厘米。真空室中心有一个实心铝球。在球体中,物理学家放置了很少的(1000万个)铯原子,并向它们发射一道激光束,形式是间隔10微秒的3次脉冲。

第一束激光将铯原子分裂成两个信息包。(请记住,这是量子力学的世界,粒子的行为类似波动。这里的“分裂原子”具有概率上的意味,而与真正的核裂变无关。)

第一道激光束让两个波包彼此弹开,而第二次脉冲让它们的运行方向发生逆转,并再度靠近。随后第三次激光脉冲发挥着分束器的作用,让两个铯原子波包彼此重叠并发生干涉,就好像池塘中的两组涟漪一样。整个激光表演只需1.7秒即可完成。

铯原子的干涉图样可以将结合有变色龙场的引力效应表现出来,不过实验只发现了引力的作用。由于取得了零结果,汉密尔顿与米勒的小组可以在很宽的质量范围内排除变色龙粒子的存在。

这张照片展示了实验的设置,真空室中央安置有一枚直径25毫米的球体。实验测量了球体与铯原子(图中不可见)之间的作用力。(图片提供:Holger Mueller)

实际上,结果甚至可能比发表在《科学》杂志上的结果还要好。伯雷奇的理论工作是在2014年初完成的,不过今年7月,来自比利时拉米尔(Lamur)大学与鲁汶(Louvain)大学的桑德兰·施勒格尔(Sandrine Schl??gel)与同事针对这些艰深的计算公布了改进过的新版本额。来自奥地利维也纳技术大学的哈特穆特·阿贝勒(Hartmut Abele)称,这一发展可能已经让实验涵盖的范围有所增大,并进一步缩小了变色龙粒子可能的质量范围,增加幅度最多可以达到10倍。

阿贝勒总结道:“保罗·汉密尔顿及其同事进行的实验是追逐变色龙场的过程中向前迈进的一大步。未来使用原子或中子进行的实验要么会找到变色龙信号,或者会完全排除掉变色龙场。”

在一篇新闻报道中,库利表示了赞成:“(米勒)现在将他的实验推进到了变色龙相互作用的尺度与引力相当的地带,它们更有可能在这里存在。”

暗能量的未来

对于参与研究的物理学家来说,重要的是这项实验规模很小,是在大学的实验室中完成的,但它却探索了先前研究不到的复杂物理过程。同样来自维也纳技术大学的约尔格·施米德梅耶(J??rg Schmiedmayer)补充说:“我认为这非常让人安心,最基础的科学有时可以使用巧妙的小型实验来进行研究,并不一定需要庞大的合作团队以及巨型设备。”

保罗·汉密尔顿与同事站在仪器前方。(图片提供:Enar de Dios Rodriguez)

更让人安心的是,这项结果说明,确切的是或否判断即将到来。这里并没有可以调整的自由参数,没有能够避开零结果的理论修正。未来的实验将确切说明变色龙粒子是否存在。

不过不太让人安心的是,如果变色龙粒子被排除了,我们又要面临平局:宇宙学常数抑或精质,连带伴随而来的所有问题。

(全文完)

Tags:暗能量 变色龙场

责任编辑:Melipal

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