物理学家称：宇宙很快就将停止膨胀

冬林

　　船底座星云中孕育恒星的区域——南天柱(South Pillar)。红外线望远镜“拨开”这片混沌的星云，像打开西瓜寻找种子一样，探索隐藏在厚厚的尘埃柱内部的原始恒星。
　　近日，物理学家提出了一个新的“宇宙塌缩”机制，预测宇宙很快就将停止膨胀，开始塌缩，同时我们所知的一切物质也将因此消失。他们的计算表明，宇宙的塌缩“即将来临”——在宇宙尺度上，约为百亿年之后。这一结论对普通人来说似乎没什么意义，但对物理学家来说意味着很多。
　　在发表于物理评论快报(Physical Review Letters，PRL)的论文中，加州大学戴维斯分校的物理学家Nemanja Kaloper和诺丁汉大学的Antonio Padilla提出了宇宙塌缩的机制，并分析了其背后暗含的意义，包括对暗能量的解释等。
　　“我们现在已经探测到暗能量的事实可以作为宇宙塌缩即将来临的指示之一，而且我们正尝试对数据进行分析，演算出最终的日期，”Antonio Padilla说，“早前的结果表明，宇宙塌缩将在数百亿年内发生，但我们还需要进行更准确的验证。”
　　论文的重点并非宇宙终结将在什么时间发生，而是指出这一塌缩机制将帮助解决一些未解的物理学难题，尤其是宇宙为什么在加速膨胀，以及暗能量如何影响这种加速?这些问题与宇宙常数问题有关，即引起宇宙膨胀的真空密度预测值比实际观测到的高很多。
　　“我认为，我们已经开辟了一条通往所谓‘所有物理学问题之母’——即宇宙常数问题——的全新途径，”Antonio Padilla说，“现在说(塌缩机制)能否经得起时间考验还为时过早，但截至目前它已经受到了许多关注，并有可能解决标准模型提出的真空能量贡献问题，以及这些能量如何受引力作用的问题。”
　　宇宙塌缩机制建立在物理学家之前有关真空能量问题的研究基础之上，而真空能量密度本来就是为了解决宇宙常数问题。真空能量的封存动态预测了宇宙最终将塌缩，但并未提供塌缩如何发生的确切机制。
　　根据新提出的机制，宇宙是在一系列特殊的起始条件下起源的，它自然演化到如今的加速状态，并将继续这一过程，直到塌缩。宇宙经历了一段“慢滚”(slow roll)时期，进入我们现在所看到的加速膨胀状态，但它最终将停止膨胀并到达一个转折点，然后开始收缩，最终形成与大爆炸相对的“大挤压”(big crunch)。
　　我们知道，宇宙的年龄大约是138亿年。如果要使新提出的塌缩机制合理运作的话，加速膨胀的时间必须至少持续至今(当然，一个预测宇宙已经塌缩的机制明显不对)。在科学家的方程中，一个斜率值的选择将对塌缩时间的估计产生巨大的影响。这个斜率具有非常小的正值，大约为10-39，这意味着宇宙演化的速度非常缓慢。
　　最重要的是，科学家并不是为了符合所观测到的膨胀速度，或者为了支持他们提出的机制而选择斜率的值。相反，科学家解释称这一斜率值是“技术上很自然的”，并且是由于理论中的对称性才取的这个值。
　　根据科学家的解释，该机制的自然属性使其成为第一个在没有任何直接微调情况下预测了膨胀加速的模型。在该机制中，斜率的值就控制了宇宙的演化，包括其加速膨胀的程度。
　　“‘技术上自然’的斜率值控制了塌缩启动开始占据主导地位的时间，但它是否保证了慢滚时期的出现，以及随之而来的加速膨胀?”Antonio Padilla说，“有人或许会天真地想，可以通过微调某些初始条件来保证这些结果的出现，但情况显然不是这样。真空能量封存的动态保证了慢滚时期的存在。”
　　目前这一理论尚处于早期阶段，物理学家希望在未来获得更加充实的依据。“还有很多事情要做，” Antonio Padilla说，“目前我们正致力于以一种更加‘接地气’的方式来描述这一理论，使它更加符合传统理论，与量子理论的一些关键原则(如态叠加原理)更加契合。我们将针对这一理论设计更多的检验方法，包括宇宙学和天体物理学等方面。在更长的时期内，我们希望能了解这一理论与一些更加基础的理论，如弦理论之间的关联。当我们考虑到量子引力对真空能量的修正时，了解其中发生了什么也很重要。”
　　的确，科学家还需要进行更多的工作。论文的结论中如此写道：“目前宇宙的加速膨胀或许正是塌缩即将到来的证据……通过详细的分析，对这些预测进行量化无疑是必要的。”