暗能量研究寄望引力子指路

从月球反射激光束的实验可能会发现绕月轨道上的异常现象，这有助于解释暗能量的本质。资料来源:美国航天局

电影《华尔街》中有一句名言:“贪婪是好事”。这个规则很快将被宇宙学家用来解释暗能量的起源。这个神秘的东西正在加速宇宙的膨胀。

最近在英国剑桥举行的一次宇宙学会议上，与会者讨论了一个有争议的理论——重力是由一个假想的引力子传播的。这种粒子将消耗来自太空的巨大能量，导致宇宙以加速但非破坏性的速度膨胀。

20世纪90年代末，天文学家发现宇宙的膨胀正在加速。研究人员一直试图解释这个假设实体(称为暗能量)的性质，以及为什么加速度如此微弱。

最有根据的猜测之一是暗能量是真空的固有属性。粒子物理学预测了这种真空能量的存在，它应该比天文学家观察到的解释宇宙膨胀加速所需的能量大10120倍。然而，如果暗能量真的这么大，宇宙应该在恒星和星系形成之前就已经解体了。

2010年，美国俄亥俄州克利夫兰凯斯西储大学的宇宙学家克劳迪娅·德·拉姆和她的同事提出了一个令人惊讶的想法。如果大部分暗能量被假想的引力子吞没，那么暗能量可能是真空能量。物理学家普遍认为，引力子作为传递重力的基本粒子，与其他众所周知的粒子相似——这些粒子传递自然界中的其他三种基本力:电磁力、弱核力和强核力。

大多数物理学家认为引力子没有光子那样的质量，所以引力可以延伸到整个宇宙。德·拉姆说:“我们知道引力是遥远的，因为我们感觉到来自太阳的引力——它设定了引力子的范围。”她和她的同事意识到，如果假设引力子只有很小的质量，小于10-33电子伏特，引力子仍然可以满足所有天文观测条件。(相比之下，中微子是已知质量非零的最小粒子，其质量相当于1电子伏特，而电子的质量相当于511，000电子伏特。)

美国纽约大学的宇宙学家马克·怀曼(Mark Wyman)说，德·拉姆的团队在首次揭示引力子模型时引起了巨大的轰动，因为很少有好的方法来解开暗能量的秘密。他说:“突然有一系列理论可以真正深入了解暗能量。”此外，在不增加新的奇异粒子或额外的空间维度的情况下，引力子可以解释宇宙中最大的奥秘，这使得它成为一个“极简方案”，正如德·拉姆所描述的那样。

但是这个想法几乎被扼杀在萌芽状态，怀曼补充道。物理学家开始研究这个理论，发现了一些可能的问题。其中一个担忧是，该理论可能包含隐藏的“幽灵”——具有负面能量的领域，在现实中无法存在，但其他人并不认同这种担忧。德·拉姆说:“使用‘鬼’这个词是因为它们非常可怕。如果它们确实存在，它们可以摧毁任何理论。”德·拉姆坚信她的模型中没有所谓的鬼魂。

研究人员指出，在德·拉姆的原始模型中还有许多其他类型的变量。例如，2011年，瑞典斯德哥尔摩大学的宇宙学家赛义德·法瓦德·哈桑和美国纽约哥伦比亚大学的雷切尔·罗森提议将两种类型的引力子组合成一个模型，一种质量巨大，另一种没有质量。然而，这要求宇宙由两个重叠的相互作用的结构组成。

在剑桥会议上，包括德·拉姆在内的一些宇宙学家展示了一系列模型——两个相互作用的结构可以自然地加速时间和空间。这可以形成暗能量效应，这是宇宙学家通过另一种机制观察到的(没有任何真空能量)。

德·拉姆说，这些理论是否成立取决于它们能否做出经得起实验检验的预测——区分标准宇宙学和重力。这些实验很快将在太阳系中进行，因为重力模型预测地球和月球之间有一个引力场——与普通引力略有不同。

目前，地球和月球之间的距离和角度是通过激光实验来测量的。德·拉姆说:“我们离重力探测只有一箭之遥。”

然而，尽管发现了这样的实验证据，一些人仍然对重力的整个概念持怀疑态度。德国慕尼黑大学的宇宙学家瓦达切斯拉夫·穆哈诺说，尽管他最初被这一理论的简单性所吸引，但他与新时空的联系以及额外引力子的加入使他的人造痕迹变得过于严肃。穆哈诺说:“我认为暗能量问题需要一个更优雅的解决方案。”

怀曼说优雅只是个人喜好的问题。他说:“如果他们能选择一个引人注目的独特模型来解释暗能量，我认为人们很难注意到它。未来几个月将会发生什么，将决定这个理论是否与现实世界相关，还是只是昙花一现。”(段鑫)

中国科学新闻(2013-09-16第三版国际版)