分割宇宙的无形之墙：神秘的暗能量与对称子

2022-05-26 03:05

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1998年，人们证实了宇宙正在加速膨胀。随即，解释宇宙加速膨胀现象就成了物理学中最重要的课题之一。根据爱因斯坦的广义相对论，一个只包含物质的宇宙因为引力作用应该只能作减速膨胀。而截然相反的观测结果，令科学家们不得不引入一种“具有负压的暗能量”，它推动着宇宙的加速膨胀。而对称子理论，则是用以解释暗能量的一种重要的补充理论。

图片来源：Greg Rakozy

二十世纪中叶，理论物理学家在广义相对论的基础上建立了多种宇宙学模型，其中一个最重要的当属苏联裔美国物理学家盖莫夫提出的宇宙大爆炸理论。这场推测发生在137亿年前的大爆炸如今已经找到许多观测证据。首先，天文学家哈勃在1929年发现了红移现象，即恒星或星系离我们越远，就退行得越快。哈勃定律的提出意味着宇宙的膨胀。其次，大爆炸理论预言了宇宙中氦氢的大致比率，在此后被观测到的氦丰度印证。最后，也是最重要的证明是宇宙微波背景辐射(CMBR)。

而为了解释宇宙微波背景辐射、宇宙大尺度结构以及宇宙加速膨胀的超新星观测，科学家们提出了ΛCDM模型（Lambda-Cold Dark Matter Model），即所谓的λ冷暗物质模型。它成为了当前对这些现象进行融洽解释的最简单模型。ΛCDM模型根据宇宙微波背景辐射的数据，计算出了著名的“宇宙中重子物质占4.9%，暗物质占26.8%，暗能量占68.3%”论断，产生了广泛的影响力。

但是，虽然ΛCDM模型与许多天文观测数据相容，但从理论角度来看它并不令人满意，仍然面临着一些难以解决的问题，例如“真空灾变”等问题。近些年来，随着多红移段高精度观测数据的发布，ΛCDM 模型也逐渐面临着一些来自天文观测的挑战，例如哈勃常数测量值之间的矛盾、弱引力透镜和 CMB观测之间的矛盾等等。这种种问题都在推动着人们去思考和探索能够超越标准宇宙学模型的其它理论。诺丁汉大学研究员Aneesh Naik指出，ΛCDM 模型是“一个非常成功的范例，成功解释了在不同尺度上进行的无数独立观测”。但是，“当把视角放大到单个星系的小尺度进行观察时，问题就开始出现了”。

有鉴于此，众多尝试解决宇宙膨胀问题的非标准模型诞生了，对称子宇宙学模型（symmetron cosmological model）即是其中之一。按照万有引力进行朴素思考，宇宙在大爆炸之后因为物质间的引力作用，必然应该是减速增长的。但这却与人类的观测不符——我们的宇宙正在加速膨胀。所以科学家们推测，在广义相对论的框架之下，宇宙的加速膨胀现象是由一种负压强元素所致，这种东西被称作暗能量，它表现为跟引力相反的一种斥力，推动着宇宙的加速膨胀。但人们对于对这个神秘元素的本质知之甚少，因此它是当今宇宙学的主要研究方向之一。而对称子正是作为一种暗能量的解释而存在。

我们知道，多数大型星系周围都有一些规模相对较小的星系绕其运转，即“卫星星系（矮星系）”。按照ΛCDM模型的推测，这些卫星星系应该随机分布于中心星系周围各个方向的轨道上。但人们观测发现，这些卫星星系的运转轨道实际几乎都处于同一个轨道面——我们的银河系以及近邻仙女座(Andromeda)和半人马座A(Centaurus A)都是如此。莱布尼茨天体物理研究所研究员Marcel Pawlowski 表示，“位于 1300 万光年外的半人马座 A ，它周围的卫星星系的运动轨道似乎被压缩到了一块圆盘上，而非ΛCDM模型所预测的混沌轨道。” 这成为了ΛCDM模型难以解释的疑难。有科学家认为，卫星星系中的一些神秘行为可能与“宇宙网”有关，这是一个由暗物质细丝组成的巨大网状结构，它们连接起了宇宙中的星系，并引导着这些卫星星系的轨道。

仙女座星系

图片来源：Tengyart

因此，为了进一步弥补ΛCDM模型的不足之处，科学家们尝试引入了假设粒子“对称子（symmetrons）”，它产生了四大基本作用力之外的“第五种力”。由此，一种帮助解释暗物质与暗能量存在的的对称子宇宙模型逐渐建立。科学家声称，对称子及其产生的特殊作用力，在空间中产生了类似于“畴壁”的无形边界，从而规范了卫星星系的轨道。

事实上，对称子理论一直把矮星系视作检验其理论的重要测试。按照一些科学家的推测，矮星系中的星体将会屏蔽该“第五种力”，而氢原子气体不能抵御这种力的作用，从而导致气体的旋转速度上升。另一方面，矮星系的陨落运动能够导致恒星盘从暗物质和氢气分离出来。许多物理学家都认为，矮星系是一块测试对称子理论的试金石。

按照对称子宇宙演化模型，大爆炸开始后一万年是物质密度和辐射密度正巧等量，因此宇宙暴涨结束后到一万年这段时间被称为辐射优势时期。在这个阶段内此后物质密度将愈来愈高而辐射密度愈来愈低，最终达到两者相等。

大爆炸开始一万多年以后，宇宙开始进入物质优势时期，这时候非相对论性物质是宇宙主要的组分。而在30万年后，辐射弱到不能使原子分解，从而光可以未被散射地传播很长的距离。形象地来说，宇宙就好像在大爆炸30万年后突然变透明了。从大爆炸中发射出的大量原始物质云开始凝聚为星系和恒星。经过几十亿年之后，宇宙就开始变得像如今人们看到的样子。在物质优势时期，对称子场作阻尼振荡下降，最终将接近于零值，宇宙即将进入晚期加速膨胀相变。

哈勃太空望远镜

图片来源：NASA

在距今约50万年的时候，对称子的有效势变成了对称自发破缺势，宇宙发生了晚期加速膨胀相变。在这个模型中，对称子场的斥力作用在宇宙形成的相当长的时段内并不重要，这一点与观测符合得很好。这使得对称子的排斥性引力不会干扰暗物质的吸引性引力。因此，后者可以顺利推动宇宙结构的形成。宇宙的膨胀也就经历了“暴涨——减速膨胀——加速膨胀”的不同阶段。

在对称子宇宙模型的设想里，不同解的对称子区域犹如紧邻的泡沫一般，将宇宙分割。Naik指出：“因为宇宙不是均匀的，所以会彼此无法建立因果关联的不同区域，因此对称子所经历的对称性破缺不同步在全宇宙发生。在没有的建立因果关联的不同区域中，对称性破缺的发生是各自独立的。不同区域有50%的几率继承对称子的不同特征。而正是这些效应导致了大星系周围的卫星星系的独特现象。”

不过，Naik还指出，对称子理论也还有许多地方有待完善，对它的补充修正同时也会促进对ΛCDM模型的更正，甚至可能对整个物理学框架进行一次“大替换”。