一个新粒子将会改变宇宙的命运



一个新粒子将会改变宇宙的命运


众所周知,自从我们的宇宙从一个有着无限密度和重力的小点爆炸中诞生以来,它就一直在膨胀,而且不是以一个稳定的速度成长,科学家观测到宇宙的膨胀越来越快。但它扩张的速度有多快一直是一个科学界争论不休的难题。

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实际上,到目前为止各个科学家们测出的宇宙膨胀速度根本无法达成一致。从附近星体来源测量的膨胀率似乎与从远处星体来源测量的膨胀率数值相差过多。科学家猜测,宇宙中必然发生了一些奇怪的事情,改变了膨胀率,也就是哈勃常数。

测量哈勃常数

天文学家设计了各种各样的方法来测量他们所谓的“哈勃常数”,其中不乏一些拍手称快的测量方法,例如最直接的办法:观测超新星,间接的办法:宇宙微波背景。


是的,部分科学家提出测量今天膨胀率的一种方法是直接观察附近的超新星,即宇宙中最亮的一类恒星死亡时释放出的气体和尘埃的爆炸。有一种超新星的亮度非常特别,所以我们可以比较它们看起来有多亮,然后和它们标准的亮度进行比较,随机计算距离。然后,通过观察超新星的主星系发出的光,天体物理学家也可以计算出它们离我们有多远。把所有的数据整合在一起,我们就能计算出宇宙的膨胀率。

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但是宇宙中还有比爆炸的恒星更多的东西。比如一种被称为宇宙微波背景的东西,它是大爆炸后留下的光,当时我们的宇宙还只是一个“婴儿”,只有38万年。通过像普朗克卫星的观测数据来绘制这些残余辐射的地图,科学家们得到了关于这一背景的精确地图,它可以用来非常精确地描绘宇宙的内容。我们可以利用这些成分,用计算机模型来计算未来的时间,从而得出今天的膨胀率应该是多少,当然前提是假设宇宙的基本成分从那时起就没有改变过。

科学家利用这两种目前最接近真相的办法测量哈勃常数,但是得出的数据仍然相差甚远,科学家担心其中遗漏了关键数据。当然也许,一个或两个测量是并不能完整地验证出正确的答案。但是如果我们假设这两种测量都是准确的,那么我们就需要其他的东西来解释不同的测量。由于一种测量方法来自非常早期的宇宙,另一种测量方法来自比较近期的宇宙,所以我们的想法是,也许宇宙中的某些新成分正在以一种我们在模型中还没有捕捉到的方式改变着宇宙的膨胀率,它就是暗能量。


科学家表示现在主导宇宙膨胀的是一种神秘的物质,我们称之为暗能量。但是我们完全不了解这种物质。也从未观测到它的存在,我们所知道的是,今天宇宙的膨胀速度正在加速,我们把驱动这种加速的力量称为“暗能量”。并且科学家怀疑在宇宙膨胀的过程中,暗能量并不是恒定的,它也在逐渐改变。科学家们猜测怀疑暗能量与被锁在时空真空中的能量有关,这种能量来自于宇宙中所有的“量子场”。

在现代量子物理学中,每一种粒子都与它自己的特定场有关。这些场对所有的时空产生了巨大的冲击,有时场的一些部分在某些地方变得非常飞跃,最终变成我们所熟知的粒子,比如电子、夸克和中微子。所以所有的电子都属于电子场,所有的中微子都属于中微子场,等等。这些场的相互作用构成了我们理解量子世界的基础。


无论你去宇宙的什么地方,你都无法逃离量子场。它们会一直在那里,循环着摆动和振动的动作,做着它们正常的量子运动。那么问题来了,既然量子场无处不在,那么暗能量又是主要宇宙膨胀的关键物质,那么这两者必然有着某种关系。但是我们很难通过时空真空能量(即由量子场产生的能量)来理解暗能量,因为我们不了解暗能量。但是,如果这些膨胀率的测量是准确的,暗能量确实在变化,那么这可能会给我们一些关于量子场本质的线索。具体来说,如果暗能量在变化,那就意味着量子场本身也在变化。

新的粒子出现

根据这些前提,来自帕多瓦大学(University of Padova)的理论物理学家马西莫塞尔多尼奥发表了一篇论文,计算了暗能量变化所需的量子场变化量,并表示如果有一个新的量子场对应着暗能量的变化,那就意味着宇宙中有一个新的粒子。


塞多尼奥计算出的暗能量的变化量需要一定的粒子质量,它的质量和已经被预测的一种新粒子的质量大致相同,那就是所谓的轴子。这个粒子可能出现在非常早期的宇宙中,但一直“潜伏”在宇宙微波背景中,而其他力量和粒子控制着宇宙的方向,现在它出现了。

即便如此,我们从未探测到轴离子,但如果这些计算是正确的,那就意味着轴离子就在那里,并且充满了宇宙和它的量子场。同理,这个假想的轴子也可以改变宇宙中暗能量的数量。所以,尽管我们从未在实验室里见过这种粒子,但它已经在改变我们宇宙的最大规模。不过,这种假想的粒子一旦被推翻,那么一切的理论高墙都会随之坍塌!

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