苍茫宇宙,谁主沉浮?暗能量、爱因斯坦的错误和宇宙的命运( 三 )
不过,由于缺乏实验观测,从泡利提出真空能问题以来的70多年,直到宇宙加速膨胀发现之前,这个巧合问题对多数人而言,正如同房间里的大象一般被无视;而对少数意识到问题的人,也只是曲高和寡的清谈。
为什么暗能量的能量不为零?
一个小得令人吃惊的数,等于零通常比不等于零更容易解释。比如为什么我身上没钱?可能是因为我出门从不带钱包。可是,如果我每次出门都带上两分钱,恐怕就比较奇怪了。
暗能量也是一样。这么少的暗能量,恰恰还不是零,因为在宇宙加速膨胀中看到了它在发挥作用。这比没有暗能量还要难解释很多。所以,宇宙加速膨胀(暗能量很少但是并不为零)的发现,让我们一头撞到了房间里的大象身上,再也没办法无视暗能量的存在,而我们对暗能量的解释,则又像盲人摸象一样(但愿还是摸到了一点吧),众说纷纭。
为什么目前暗能量的能量密度和暗物质、原子物质都差不多?
在宇宙的不同阶段,物质和暗能量的比例此消彼长。比如宇宙刚诞生38万年的时候,也就是宇宙中第一束光开始自由传播的时候,按能量密度,暗能量只有暗物质、原子物质的亿分之一。而几千亿年后,我们的视界内只有本星系团的时候,暗能量又比暗物质、原子物质多亿倍了。为什么我们现在刚好处于暗能量、暗物质、原子物质三足鼎立的时代?而这个时代刚好是智慧生命可以进行宇宙学观测的最佳时代 [5]?
这或许是个巧合吧。毕竟,我们不想把我们的存在过多纠缠于科学推理之中。但是,一会我们再说,我们的存在,或许也有点关系。
暗能量是物理学中最困难、最深刻的问题之一,甚至就是最困难、最深刻的那个问题。为什么暗能量这么难?实在很难通过一篇科普,来讲清楚暗能量的困难所在。这好比,体会一道菜多难做,比尝一尝这道菜多好吃,要困难得多。更何况离我们生活更远的宇宙学呢?但是,还是让我尝试解释一下,为什么暗能量这么难。
还是用大象身上绑气球的例子。就姑且假设,宇宙就“知道”,就“故意”往大象身上绑足够多的气球来抵消大象的重量,一个不多,一个不少。但是问题是,大象的重量和气球的数量,总要在宇宙诞生之初就定下来吧?但是,宇宙演化的过程(例如电弱对称性自发破缺),是可以改变气球的数量的。也就是说,为了让气球刚好在现在抵消大象的重量,宇宙不但要“知道”在宇宙诞生之初大象多重,还要会“计算”宇宙的演化会减少多少气球,以便在宇宙诞生之初,就绑刚好正确数量的气球在大象身上,让今天(而不是宇宙诞生之初)的气球抵消大象的重量。要在物理学中构造出这么“聪明”的宇宙学模型,何其难也!
这还只是困难的开始。各种物理定律和结论,例如“等效原理”、“兰姆位移”等等,都跑过来给暗能量设立额外的规则(参见 [4])。因为一个自洽的物理理论,是不能与任何已知现象矛盾的。这些规则放到一起,让解释暗能量的大小,变成了一个几乎不可能完成的问题。(当然,我希望,这只是我们不够聪明而已。)
刚好,在这个节骨眼上,一些弦论学家(研究引力和量子力学统一理论的专家)前来推波助澜。他们倾向于认为可能存在多个宇宙,其中每个宇宙里暗能量的大小可以是不同的。
假如这些弦论学家是对的,存在多个宇宙,每个宇宙里暗能量的大小都不同,那么,我们又不能控制我们生在哪个宇宙里面,当然解释不了我们宇宙中的暗能量大小啦。所以,多宇宙给了我们一个冠冕堂皇的“投降”的理由。
等等,我们真不能控制我们生在哪个宇宙里面吗?起码不会是那些瞬间坍缩的宇宙吧?起码不会是瞬间撕裂的宇宙吧?我们只能生在一个适合人类生存的宇宙当中。(或许)只有这样的宇宙当中,才有智慧生命能问这样的问题。所以,我们作为问了这个问题的智慧生命,生在一个大象身上绑10的120次方个气球的宇宙,好像还挺自然的。这个更体面的“投降”声明,叫做人择原理 [6]。
虽然,人择原理比“不知道”稍稍强一点,毕竟还是根据多宇宙的假设,建立在“我们没法计算暗能量的大小”的基础上的。也就是说,如果相信人择原理,我们就放弃了用传统物理学方法解释暗能量的努力。更坏的是,凭什么多宇宙中只有暗能量的值不同呢?其实,弦论里面的多宇宙模型,不同宇宙里很多物理常数的值都可以改变。我们放弃解释暗能量的同时,也放弃了解释所有这些物理常数,例如泡利至死都无法释怀的137。这样,我们放弃的可不止是一个暗能量,还有基础物理里面的很多梦想。
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