诺奖得主皮布尔斯：捍卫暗能量

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在宇宙尺度上，不论物质、反物质还是暗物质，引力相互作用起主要作用。而目前人类已知的存在，都不可能让整个宇宙加速膨胀。为了解释宇宙的加速膨胀，物理家们引入了Dark Energy——暗能量。目前所有观测结果都显示宇宙正在加速膨胀，甚至发现50亿年前就开始加速了。暗能量是造成宇宙膨胀的原因。“暗能量”，听起来似幽灵般的力，而实际上它跟爱因斯坦在1917年引入到引力理论中的宇宙常数 Λ 有关。爱因斯坦一度认为这是他最大的错误，但现在科学家们不得不将 Λ 放回理论中，以此来符合实际天文学的观测。这是一段很有意思的科学史，感兴趣的读者可以了解下宇宙学常数的前世今生。通过量子理论也能得出宇宙学常数 Λ 的存在，但其值却与我们所需要的相去甚远。如何找到一种方法将 Λ 的量子理论预测值与从膨胀宇宙中观测到的 Λ 值统一起来，将是一个伟大的发现。2019年诺贝尔物理学奖得主詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles）认为：即使是最复杂的理论，也会受到实际观测结果的限制，当下的观测证据总是不完美和不完整的，因此我们的理论永远是一种近似，而不是对最终现实的解释。

撰文 | 詹姆斯·皮布尔斯编译 | 刘航
当我们解释宇宙如何从热的致密状态开始膨胀，所谓的标准理论中需要爱因斯坦宇宙学常数的存在，该值常用希腊字母 Λ 来表示。而现在 Λ 也被普遍认为是暗能量的标志。或许名称的变化是一种改进，但其实也没有改变什么。我们久经考验的宇宙膨胀理论确实需要一些类似 Λ 的东西参与，但我们仍然不知道这个 Λ 如何符合我们的标准物理学。
上世纪30年代，量子场论自然地预测了存在宇宙学常数 Λ ，但预测值却是一个极大的值^[1]，甚至大的离谱。90年代以前，当我们对宇宙如何演化知之甚少，没有那么多观测证据时，我们可能倾向于说，Λ 的量子估计“显然”是错误的，唯一自然的选择是 Λ 为零。爱因斯坦可能会赞同这个充满希望的观点，他后悔将Λ这一术语添加到他的引力理论——广义相对论中。但到现在，积累的观测结果已经足够提出一个令人信服的理由——我们必须学会与 Λ，即暗能量共存。
这里我不会一一列举实验来证明暗能量的存在。我对这些证据的看法，及这些证据是如何符合物理学家的自然科学理念，都在我的书The Whole Truth（《全部真相》）^[2]中。我要强调的是，正确的表述方式应该是：实验观测提供了一个有说服力的案例，即包含了暗能量的宇宙膨胀标准理论是对现实的有效近似。其中修饰词——近似，是必需的，因为理论的最终判断取决于实验观测。一个理论成功的关键是其对未知事物的预测。在自然科学中，我们有大量这样的成功案例。所有实验的准确性都有限，因此这些理论至多能被认为是对现实的近似。有些确实很成功，但它们在我的理念中只是近似。

最好的理论具有极其出色的预测性。比如，麦克斯韦在一个半世纪前提出的经典电磁学理论。该理论指导人们设计了能量传输线，把机械能或太阳能转换成的电磁能，传输很远的距离，并将其分配给家庭和工业。同样的理论也指导了为你家中安装电线的电工，冰箱得以制冷、灯光照亮黑暗，当然也提供了让手机运行的涓涓电流。
当你听到关于膨胀宇宙的性质的理论与观测之间存在不一致时，应该仔细思考和分辨。
麦克斯韦的理论用于日常生活时中效果拔群，但研究原子性质时却失败了。也就是说，经典的电磁学只是一种近似；它是量子电动力学理论的极限情况，量子电动力学理论通过了更苛刻的测试。但更进一步，量子电动力学是量子电弱理论的一个极限情况，而后者又是粒子物理学标准模型的一部分。粒子物理学家认为将电磁相互作用与弱相互作用统一起来能更好的描述我们的世界。（在随后的50年中电弱标准模型经受住了无数实验的考验，成为继相对论和量子力学后最成功的理论之一。）
我举这些例子是为了说明，为什么当你听说关于膨胀宇宙的性质的理论和观察之间存在不一致时，你应该仔细思考和分辨。实验测试真的很困难，即使非常小心，错误还是会悄悄出现。这种时候你应该稍微等一下，直到听到严格的评估及其他独立实验给出的结论——证实或证伪。如果实验与理论的差异得到证实，请记住，虽然相关理论已经相当成功，但并不完美。真正的不一致指出了理论需要改进的地方。当然我们不能保证一定能有补救的方法，但有很多成功的例子——电磁学的发展就是其中之一。因此，这种情况再次发生的可能性很大，从而产生更好的暗能量理论。
进一步来看我们的暗能量理论，量子物理学预测了 Λ 的存在，这使情况变得更加复杂，也有趣了。考虑如下的情况，已冷却到其最低能量状态的单个分子包含了量子力学零点能，这种能量是真实存在的。如果要将分子拉开，必须要把真空能考虑进去才能做出正确的量子预测。这在1930年就已经在理论上被理解了，且被实验所证实。同样，量子理论预测有电磁零点能，并且其表现类似于宇宙学常数 Λ，只是Λ 的预测值太大^[3]。正如我上面所说，我们的宇宙膨胀理论是成功的，但却是近似的。通过解释 Λ 的量子预测如何与膨胀宇宙理论的 Λ 相协调，使近似更成功，这是物理学取得重大进展的绝佳机会。
一个比较流行的观点是，Λ 的数值随着宇宙的膨胀而变化。在宇宙膨胀的早期，Λ 的值可能很大，正如量子物理学所预测的那样，也正符合宇宙暴胀理论的要求。也许随着宇宙的膨胀，Λ 的值一点点朝着它唯一的“自然”值——零——下降。之所以现在 Λ 很小，是因为 Λ 已经递减了很长时间，只是还没有达到零值。这个想法是可以被检验的，而目前的结果显示 Λ 与恒定值的假设一致。不过，我们可以尝试改进测试方法。如果能发现令人信服的暗能量不断变化的证据，这将是一个革命性的发现。因为它肯定会给我们提示，让我们知道如何改进我们的物理理论以允许不断变化的 Λ 存在。
对暗能量称呼的变化体现了科学家对其观点的变化。大约在 1998 年，迈克尔·特纳 (Michael Turner) 发明了 Λ（暗能量）的名称，他当时在芝加哥大学工作。巴拉特·拉特拉（Bharat Ratra） 和我在上世纪 80 年代后期提出了 Λ 是不断变化的想法。拉特拉那时和我一起在新泽西州的普林斯顿大学，他现在在堪萨斯州立大学。我们在普林斯顿的同事保罗·斯坦哈特 (Paul Steinhardt) 给这个想法取了一个优雅的名字——quintessence（精质），并对相关理论做出了重要贡献。Quintessence 被广泛的讨论，可能你明天打开手机，或者我打开报纸，就会读到一些Quintessence已被检测到之类的内容。像往常一样，我建议在没有得到严格的检验和评断之前，不要对任何有趣的发展做出判断。
你肯定会想到标准理论中的另一个暗成分——暗物质。1982 年时，我引入它是为了让膨胀的宇宙理论更符合我们当时所观测到的结果。物理学家对这个想法的热情超出了我的预期，其实这只是我能想到解决理论问题的最简单方法。在90年代的大部分时间里，我都在为该理论设计其他修正方案。但“群众的眼睛是雪亮的”，到 2000 年，我确信“暗物质”图像是其中一个有用的近似。1984 年上半年，我重新引入了包含 Λ 值的理论。和以前一样，它的目的是让理论继续适应越来越多的观测结果。Λ 的引入那时并不那么流行，很难想出 Λ 如何与标准理论相协调。但随着观测结果的增加，不断获得了关于暗物质非常好的证据，现在我们有了一个比较令人信服的案例。那么暗物质和暗能量有关系吗？ 以下是需要思考的几方面。
除了引力效应之外，暗物质可能永远不会被探测到。即便如此，这也不能成为反对它存在的理由。
在引入暗物质的概念后不久，人们开始尝试检测暗物质与构成我们世界的重子物质（普通物质）可能的相互作用的影响。几代科学家不断优化设计，实验的灵敏度得到了极大的提高。不过目前尚未观测到暗物质存在的可靠证据。如果你听说暗物质被探测到的消息——可能就在明天发生——那么像往常一样，我建议持保留意见，直到你听到友好或严厉的纠错报告。你也可能听过这样的说法：既然极大改进的实验都无法检测到暗物质，所以它似乎是不存在的。我不同意这个观点。在探索我们周遭世界方面，自然科学取得了巨大的成功，无论是大尺度还是微小尺度上——严格的观测结果不断与理论预言相匹配，即使在严格意义上来说是近似的。然而，我们不能保证这种理论预测与观测结果的完美互动能够继续下去。除引力效应之外，也许暗物质永远不会被探测到。即便如此，这也不能成为反对它存在的理由。相反，它可以作为一个例证，给出我们希望发现的东西的限制条件。
人们一直在讨论 Λ、暗能量和暗物质之间的关系。也许三者的统一可以扩展到黑洞问题。正如我们现在所知，黑洞并不是完全不可观测的，当较大的黑洞合并时，它们会产生引力波而且已经被探测到了。史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）给了我们关于黑洞辐射能量的预测，这是个非常有趣的理论，除非它们的质量非常小，否则辐射率将非常低。因此目前关于黑洞可能是暗物质，或者黑洞可能与暗能量有关的说法并非不可信。
我提到所有这些是因为理论家们非常有创造力，我希望他们能及时提出一个“最终”理论，该理论能考虑到所有方面，并与所有现有实验观测一致，还要与未来世界经济能够承受的所有实验相一致。这样的理论应该被接受为描述现实的完美理论吗？或者它可能仅仅意味着理论物理学家有足够的聪明才智？我尊重理论物理学，甚至亲自尝试过，但我更尊重世界真实的样子。实验观测总是有限的，但实验也永远是必不可少的。我们只能去做那些我们能做的，当然这就已经很多了，而且可以肯定的是还有更多可能会到来。不过，在我的哲学中，世界必须以逐次逼近的方式向我们展示它是如何运作的。
最后我想说，自然科学家已经取得了伟大的进步——通过假设世界的运行是按我们所发现的规律那样运行的，而每一项新的发现又是对规律的再一次改进。虽然很少听到有人这么说，但其中隐含的假设是，随着关于暗能量等问题的理论不断改进，它们正在向绝对现实靠拢。我们永远无法知道我们是否已经收敛到最终的理论，即自然科学家的终极现实，还是只是得到一个非常好的近似。但它必须是逐次逼近，一步一步前进的。

参考文献

[1] https://arxiv.org/abs/hep-th/0012253#

[2] P. J. E.Peebles 2022. The Whole Truth; a cosmologist's reflections on the search for objective reality. Princeton University Press

[3] Weinberg, S. 1989. The Cosmological Constant Problem. Reviews of Modern Physics 61.1,  

https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.61.1

作者简介

詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles，1935-），普林斯顿大学阿尔伯特·爱因斯坦名誉教授，著名的物理学家和理论宇宙学家，2019年诺贝尔物理学奖获得者，暗物质先驱。因“对于物理宇宙学方面的理论发现”而获得诺贝尔奖，皮布尔斯最知名的贡献是解释了宇宙微波背景辐射，他早在1964年就预测会有大爆炸残留至今的信号，同年有科学家验证了他的预言。

本文原文引自：

Peebles, J. (2023, March 02). In defence of dark energy.IAI News. https://iai.tv/articles/in-defence-of-dark-energy-jim-peebles-auid-2407

出品：科普中国

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