新粒子要改变宇宙的命运:宇宙膨胀速率或与轴子有关

宇宙的膨胀速度正越来越快,但究竟有多快,天下各地的天文学家似乎还没有达成一样。自从宇宙出生以来,它就一向在膨胀。天文学家对宇宙膨胀的速度一向争论不休,各种意见也越来越令人眼花缭乱。从邻近来源测量的膨胀速率,似乎与从遥远来源测量的膨胀速率相冲突。一种可能的阐明是,宇宙中发生了一点儿怪僻的事务,改变了膨胀速率。

一位理论物理学家提出,宇宙中消逝了一种全新的粒子,并且正在改变咱们整体宇宙的未来命运。

哈勃常数

在宇宙学研讨中,哈勃-勒梅特定律是宇宙膨胀理论的基础,以方程表明就是v=H0D,其中v是由红移现象测得的星系远离速率,H0是哈勃常数,而D是星系与查看者之间的距离。哈勃常数代表了当前宇宙的膨胀速率,为了测量它,天文学家设计了众多聪明的方法。

其中一种测量方法是查看邻近的超新星爆发,即宇宙中大型恒星死亡时所爆发出的气体和尘埃。有一类超新星具备十分明白的亮度,因而咱们可以较为它们实际的亮度和应该有的亮度,然后计算距离。接着,经过查看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远离咱们的速度。把一切的信息综合在一齐,咱们就能计算出宇宙的膨胀速率。

除了超新星,宇宙中存在的另一种东西也可以供应有关膨胀速率的信息,这就是宇宙微波背景辐射,相等于宇宙大爆炸后留下的残剩。当时的宇宙还处于婴儿阶段,年事只要38万年。经过像普朗克卫星等任意,科学家绘制了这些残剩辐射在整体天空的各向异性图像,从而对宇宙的组成成分有了改正确的理解。使用这些图像和数据,科学家可以经过计算机模型来计算宇宙成分随空儿的变化,从而得呈现在的膨胀速率应该是多少。这种方法假设宇宙的基本成分从开端膨胀起就没有改变过。

这两种方法估计的数值相差甚远,科学家开端思考其中到底脱漏了什么。

宇宙的“暗面”

也许,两种方法中有一个或两个测量成果并不准确,或者不齐全;双方的众多科学家在争论中都认为出错的是对方。但是,要是咱们假设这两种测量方法都是精确的,那咱们就须要其余的东西来阐明不同的成果。因为一个成果来自异常早期的宇宙,另一个成果来自较为近期的宇宙,因而有科学家提出,也许宇宙中存在某些新的成分,正在以一种计算机模型中尚未涉及的措施改变着宇宙的膨胀速率。

主导当前宇宙膨胀的是一种神秘的现象,科学家称之为暗能量。就这种咱们根本不糊涂的东西而言,这是一个恰如其分的名字。咱们只知道,宇宙的膨胀速率还在增添,而驱动这种加速的力气就是“暗能量”。在虚弱宇宙与现时宇宙的较为中,物理学家假设暗能量(无论它到底是什么)是恒定的。但要是是这么的假设,分歧就依然存在,因而可能暗能量正在改变。

让咱们假设暗能量正在改变。科学家猜测暗能量可能与被锁在时空真空中的能量有关。这种能量来自于宇宙中洋溢的“量子场”。在现代量子物理学中,每一种粒子都与特定的场联系在一齐。这些场“冲刷”着一切的时空,有时,场的一部分还会在某些地方变得异常活泼,形成已知的粒子,譬如电子、夸克和中微子等。一切的电子都属于电子场,一切的中微子都属于中微子场,以此类推。这些场的相互作用构成了咱们糊涂量子天下的基础。

不论去到宇宙的什么地方,,你都无法逃离量子场。即使某个特定地位的量子场没有足够的震荡来产生一个粒子,它们也依然在那里,不断摇摆和震荡,做着正常的量子运动。因而,这些量子场具备一定的与之相干的能量,即使在真空中也是如此。

要是咱们想使用时空真空的量子能量来阐明暗能量,咱们立刻就会遇到课题。科学家进行了一点儿异常简单的计算,估计真空中有多少能量是由一切的量子场引起的,成果得到一个比查看到的暗能量强120个数目级的数值。然而,当科学家尝试一点儿更复杂的计算时,得到的成果却是零。这也与暗能量的测量值不一样。

因而不论怎样样,咱们都很难经过时空真空能量(由量子场产生的能量)来糊涂暗能量。但是,要是宇宙膨胀速率的测量都是精确的,那就表达暗能量确凿在变化,这可能会给咱们一点儿理解量子场本色的线索。具体来说,要是暗能量在变化,那就意味着量子场本身也在变化。

新的敌人消逝了

意大利帕多瓦大学的理论物理学家马西莫•塞尔多尼奥(Massimo Cerdonio)近期在预印本网站arXiv上发表了一篇论文,计算了暗能量变化所需的量子场变化量。

本报谈论:

要是存在一个与暗能量变化有关的新量子场,那就意味着宇宙中存在一种新的粒子。塞尔多尼奥计算出的暗能量变化值央求特定的粒子质量,而这一质量刚好与此前预计的一种新粒子的质量大致雷同,那就是所谓的轴子(axion)。物理学家提出这个猜想粒子的缘故,就是为理解决咱们在糊涂强核力的量子理论时遇到的一点儿课题。

轴子可能消逝于异常早期的宇宙,但一向“埋伏”在宇宙微波背景中,由其余力和粒子节制着宇宙的走向。如今可能轮到轴子施展作用了……即便如此,咱们还从未探测到轴子。要是科学家的计算是精确的,那就意味着轴子确凿存在,充斥了宇宙和宇宙中的量子场。或许轴子经过改变宇宙中暗能量的数目,曾经引起了科学家的注意。纵然还从未在试验室里探测过这种粒子,但它可能正在最大的尺度上改变着宇宙。

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