上海光機所量子光學重點實驗室提出宇宙學新模型

　　近期，中國科學院上海光學精密機械研究所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，并用空間曲率為正的封閉空間解釋了普朗克衛星2018報道的天文觀測結果。相關成果撰寫長文發表在[Physical Review D, 101, 044020 (2020)]。

　　早在上世紀80年代末，諾貝爾獎得主Weinberger就指出宇宙學常數問題是物理學面臨的最大危機。這是因為，一方面是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于無窮大；另一方面天文觀測表明，基于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)非常之小或許就是零。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年超新星觀測起，天文學和物理學業已確認，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，并冠之于暗能量。但暗能量到底是什么，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。換句話說，宇宙學常數造成的幾何引力論和量子場論的概念沖突，已經成為基礎物理學中的最大問題。

　　包括諾獎得主Peebles在內，許多科學家利用具有負壓特性的一個或多個慢滾的標量場來解釋暗能量，該標量場常常被稱為所謂“精質(quintessence)”以區別于普通物質和電磁場。但是，同物質無耦合的精質模型無法規避Weinberger的no-go定理（Weinberger’s no-go theorem）。之后，人們又提出了耦合于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后，其提出者又證明了變色龍no-go定理 (Chameleon No-Go Theorems)，并推論說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定理的推論的錯誤，同時也規避了Weinberger的no-go定理。變色龍no-go定理的提出者，以及后續的實驗物理學家錯誤地認為，要解釋宇宙的加速膨脹需要長程力。該項研究指出，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，并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。由于標量場受到對稱性破缺的相互作用勢釘扎，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，應用普朗克2018數據中關于宇宙暴脹勢的凹形特征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產生的第五種力。第五種力的大小和作用范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。由于力程甚短，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。但由于其強度遠遠大于萬有引力，只要巧妙的設計實驗就有可能探測第五種力。