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物理學中有一個基本問題，一個被稱為宇宙學常數(shù)的數(shù)，連接了量子力學的微觀世界和愛因斯坦廣義相對論的宏觀世界，但兩種理論都不能就其數(shù)值達成一致。事實上，這個宇宙學常數(shù)的觀測值和理論預測之間存在巨大差異，這被廣泛認為是物理史上最糟糕的預測，愛因斯坦也為之感嘆！
解決這種差異可能是本世紀理論物理學最重要的目標之一。瑞士日內(nèi)瓦大學理論物理學助理教授盧卡斯·隆布里瑟將發(fā)表一種評估愛因斯坦引力方程的新方法，以便找到與其觀測值接近的宇宙學常數(shù)值，該研究方法將在2019年10月10日發(fā)表在《物理通訊B》期刊上。 愛因斯坦最大的錯誤如何變成暗能量？宇宙學常數(shù)的故事開始于一個多世紀前，當時愛因斯坦提出了一組方程，現(xiàn)在被稱為愛因斯坦場方程式，這成為了愛因斯坦廣義相對論的框架。這些方程解釋了物質(zhì)和能量是如何扭曲空間和時間的結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生引力。當時，愛因斯坦和天文學家都認為宇宙的大小是固定的，星系之間的整體空間不會改變。然而，當愛因斯坦將廣義相對論應用于整個宇宙時，愛因斯坦的理論預測了一個不穩(wěn)定宇宙，它要么會膨脹，要么會收縮，為了“迫使”宇宙是靜態(tài)的，愛因斯坦增加了宇宙學常數(shù)。
近十年后，另一位物理學家埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)發(fā)現(xiàn)，宇宙不是靜止的，而是不斷膨脹的。來自遙遠星系的光顯示它們都在相互遠離。這一發(fā)現(xiàn)說服愛因斯坦放棄了愛因斯坦場方程式中的宇宙學常數(shù)，因為不再需要解釋膨脹的宇宙。物理學的傳說是：愛因斯坦后來表示，他引入宇宙常數(shù)可能是他最大的錯誤。1998年，對遙遠超新星的觀測表明，宇宙不僅在膨脹，而且正在加速膨脹。星系之間互相加速，就好像某種未知的力量正在克服引力，將這些星系推開。
物理學家將這種神秘的現(xiàn)象命名為暗能量，因為它的真實性質(zhì)仍然是一個謎。具有諷刺意味的是，物理學家再次將宇宙學常數(shù)重新引入愛因斯坦的場方程式，以解釋暗能量。在當前的標準宇宙學模型中，稱為Λcdm(Lambda CDM)，宇宙學常數(shù)可以與暗能量互換。天文學家甚至基于對遙遠超新星的觀測和宇宙微波背景中的波動來估計宇宙學常數(shù)值。雖然這個數(shù)值小得離譜(大約每平方米10^-52)，但在宇宙的尺度上，其重要性足以解釋空間加速膨脹的原因。
宇宙學常數(shù)（暗能量）目前約占宇宙總能量含量的70%左右，這是可以從觀察到宇宙目前正在經(jīng)歷加速膨脹中推斷出來的，然而這個常數(shù)還沒有被理解。試圖解釋它的努力失敗了，我們在如何理解宇宙方面似乎遺漏了一些基本的東西。解開這個謎團是現(xiàn)代物理學的主要研究領域之一。科學家普遍認為，解決這個問題可能會讓我們對物理學有一個更基本的理解。 物理史上最糟糕的理論預測宇宙常數(shù)被認為代表物理學家所說的“真空能量”，量子場論指出，即使在完全空虛的太空真空中，虛擬粒子也會突然出現(xiàn)又脫離存在，并創(chuàng)造能量：這似乎是一個荒謬的想法，但實驗上已經(jīng)觀察到了這一點。當物理學家試圖計算它對宇宙常數(shù)的貢獻時，問題就出現(xiàn)了，其結(jié)果與觀測結(jié)果不同，其驚人的因子為10^121，這是所有物理學中理論與實驗之間最大的差異。這種差異導致一些物理學家懷疑愛因斯坦最初的引力方程；有些人甚至提出了替代的引力模型。
然而，激光干涉儀引力波天文臺(LIGO)對引力波的進一步證據(jù)只增強了廣義相對論，并摒棄了許多這些替代理論。這就是為什么Lombriser沒有重新思考引力，而是采取了不同方法來解決這個宇宙之謎的原因。所提出的機制并沒有改變愛因斯坦場方程式，取而代之的是，在愛因斯坦場方程式的基礎上增加了一個額外方程式。引力常數(shù)最早用于艾薩克·牛頓的引力定律，現(xiàn)在是愛因斯坦場方程式的重要組成部分，它描述了物體之間引力的大小，被認為是物理學的基本常數(shù)之一，自宇宙誕生以來一直保持不變。
Lombriser做出了戲劇性的假設，即這個常數(shù)可以改變。在Lombriser對廣義相對論的修正中，引力常數(shù)在可觀察到的宇宙中保持不變，但可能會超過它。而是提出了一種多宇宙場景，其中可能存在看不見的宇宙斑塊，這些斑塊對于基本常數(shù)具有不同的值。引力的這種變化給了隆布里瑟一個額外方程式，它將宇宙學常數(shù)與整個時空中物質(zhì)的平均總和聯(lián)系起來。計算了宇宙中所有星系、恒星和暗物質(zhì)的估計質(zhì)量之后，可以求解這個新方程來獲得一個新宇宙學常數(shù)的值：一個與觀測結(jié)果非常吻合的值。
使用一個新的參數(shù)ΩΛ（Omega Lambda）表示宇宙中由暗物質(zhì)組成部分，發(fā)現(xiàn)宇宙大約由74%的暗能量組成。這個數(shù)值與從觀測得到的68.5%估計值非常吻合，與量子場論發(fā)現(xiàn)的巨大差異相比，這是一個巨大的進步。盡管Lombriser的框架可能解決了宇宙學常數(shù)問題，但目前還沒有辦法對其進行測試。但在未來，如果來自其他理論的實驗驗證了該方程式，這可能意味著我們對暗能量理解上的一次重大飛躍，并提供了一種解決其他宇宙奧秘的工具。
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