新宇宙學模型認為 宇宙膨脹與暴脹源自同種機制

近日，中國科學院上海光學精密機械研究所中科院量子光學重點實驗室提出了一種新的宇宙學模型，該模型把驅動宇宙現今加速膨脹的物理機制和宇宙早期暴脹的物理機制統一描述為同一個標量場，並用空間曲率為正的封閉空間解釋了普朗克衛星在2018年報道的天文觀測結果。相關研究成果發表于最新一期《物理評論D》上。

早在上世紀80年代末,諾貝爾物理學獎得主溫伯格（Weinberger）就曾指出宇宙學常數問題是物理學面臨的最大危機。一方面是因為，量子場論表明的所謂真空，即量子場的能量最低態的能量密度因零點能的存在而非常之大甚至趨於無窮大；另一方面天文觀測表明，基於廣義相對論的宇宙模型無物質的真空的能量密度（在廣義相對論中叫宇宙學常數）非常小，或許就是零。

到了上世紀90年代末，宇宙學常數問題發生了更加令人困惑的戲劇性變化。自1998年起，天文學和物理學界已確認，宇宙的膨脹已經從過去的減速膨脹進入當今的加速膨脹階段。科學家把這個同萬有引力相反的驅動力歸結于一個非常小的真空能量密度，也就是一個非零的宇宙學常數，並稱之為暗能量。但暗能量到底是什麼，一直得不到物理解釋。因此，暗能量的物理解釋成為宇宙學和粒子物理學面臨的最大挑戰。換句話説，宇宙學常數造成的幾何引力論和量子場論的概念衝突，已經成為基礎物理學中的最大問題。

包括諾獎得主詹姆斯·皮布爾斯（James Peebles）在內，許多科學家利用一個具有負壓特性的標量場來解釋暗能量，它常常被稱為“精質”（quintessence）以區別於普通物質和電磁場。但是，同物質無耦合的精質模型無法規避溫伯格的“no-go”定理。之後，人們又提出了耦合於物質的所謂變色龍暗能量模型。非常遺憾，在提出變色龍機制數年後,其提出者又證明了變色龍“no-go”定理，並推論説變色龍模型不能解決宇宙的加速膨脹問題，即不能解決宇宙學常數問題。

研究人員提出了標量場和物質的作用勢的對稱性破缺模型，該模型指出了變色龍“no-go”定理推論的錯誤，同時也規避了溫伯格的“no-go”定理。變色龍“no-go”定理的提出者，以及後續的實驗物理學家認為，要解釋宇宙的加速膨脹需要長程力。

該項研究則指出，是標量場的負壓強而非其梯度力驅動宇宙的加速膨脹，所以依靠長程作用力驅動宇宙加速膨脹的觀念是不正確的，並證明無論是現今的宇宙加速膨脹和宇宙暴脹都可用一個標量場描述。由於標量場受到對稱性破缺的相互作用，所以標量場的自作用勢在有效勢的極小值點的取值就扮演了宇宙學常數的角色。

此外，研究人員還利用2018年普朗克衛星觀測數據中關於宇宙暴脹勢的凹形特徵得出我們的宇宙是封閉的結論。在滿足宇宙學參數的約束下，得到了物質誘導標量場所産生的第五種力。第五種力的大小和作用範圍都是與環境的物質密度密切相關的。

以當下的宇宙物質密度為例，這個作用強度比萬有引力大30多個量級，而作用力程在微米量級。由於力程甚短，所以很難在現有的天文觀測和實驗方案中觀測到，從而收斂到太陽系的觀測和廣義相對論一致的結果。但由於其強度遠遠大於萬有引力，只要科研人員巧妙設計實驗就有可能探測第五種力。