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暗能量的理论问题以及弦论中的宇宙学问题 精选

已有 9180 次阅读 2008-4-13 18:28 |个人分类:理论物理|系统分类:科研笔记

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(下面是为别人的公文写的一部分,不贴出来觉得有点可惜)

暗能量的观测证据已经积累很多了,其效应几乎是不可置疑的。随着观测证据的积累,理论问题并没有得到很好的解决,虽然理论家们已经写了数以千计的理论文章,提出了上百个模型。这些模型到今天为止基本上是唯象的,也就是说,我们并没有在暗能量的基础理论上取得可见的进展。

要回答暗能量问题,我们至少要理解两个问题。1、暗能量为什么这么小,且是正的?2、暗能量的大小为什么在大爆炸发生了137亿年后的今天,与临界 密度的大小相仿。弦论目前流行一种观点,认为存在很多亚稳态“真空”,每个这样的真空对应一个宇宙学常数大小,且有对应的物理如粒子物理中的规范群以及相 互作用强度可以是变化的。如果这样的亚稳态真空足够多,那么就会出现接近或等于我们观测到的暗能量密度。这样,用所谓人择原理,就可以解释暗能量的两个问 题。这种观点目前争议很大,争议主要围绕对于科学理论的理解和一些技术问题。在科学理论的层次,我们是否应该接受这样一种环境论?即宇宙之所以如此完全是 偶然的,就像地球在太阳系的地位一样偶然。这种解释是否是科学的?技术层面上的问题很多。例如,我们真的理解了弦论中的亚稳态真空了吗?这些真空真的存在 吗?如果存在,这些真空都会在宇宙中实现吗?实现的几率分布是怎样的?还是存在某种第一原理帮助我们来选择一些亚稳态真空?

虽然一部分人接受人择原理,人择原理对暗能量的解释远远不是一个共识,这是为何我前面说基础理论并没有可见的进展。下面谈谈唯象模型,这些模型大致可以分为五大类。

一、 由某种场驱动的动力学模型。这类模型的代表是quintessence,即类似暴涨子的标量场,但与暴涨子不同,这里涉及的能量密度非常小,同时标量场本 身的值不小,往往在Planck能标之上。这引起两个问题,其一是微调问题,其二是量子效应。Quintessence虽然有许多tracker模型,都 没有理想地解决这两个问题。所以这类模型是纯粹唯象的。与标量场类似,人们还研究了三个矢量场等模型,还有就是所谓phantom模型和quintom模 型,前者假定标量场有负的动能项,后者假定既存在quintessence场,也存在phantom场。这些模型除了存在前面提到的两个问题外,还有不稳 定性问题。

二、 修改引力理论,例如在大尺度上修改广义相对论。这类模型也不少,包括修改Einstein-Hilbert作用量,引入新的场以达到模仿暗能量和暗物质 (MOND),有的模型还引入了大额外维,如DGP模型。同样,这些模型也都存在微调问题,更不用说没有在量子引力的层次上理解暗能量。

三、 相互作用暗能量和暗物质。这类模型引入暗能量与暗物质之间的能量交换,企图通过相互作用使得两者能量形式最终趋于同一个数量级。但在绝大多数场合并没有达到所想得到的效果。

四、 全息暗能量。这类模型从全息原理出发,推测暗能量密度与一些宇宙学尺度的关系,通常是平方反比关系。这类模型较易解决暗能量的两个经典问题,但同样存在着基本理论问题,例如我们并不知道如何从基本理论推出一定的宇宙学尺度。

五、 对称性。一般地,某个常数等于零或很小与对称性有关,如轻介子的质量。但是,超对称并不能解决宇宙学常数问题,因为超对称破缺的能标不会低于现在加速器所 达到的能标,从而会诱导很大的宇宙学常数。有一种猜测认为,超对称破缺所引起的宇宙学常数远远小于场论所预言的,这种理论假定某种全息机制。有一种理论认 为也许宇宙在本质上是2+1维的,但唯象上是3+1维的,低维超对称保证宇宙学常数为0,但不会诱导四维世界中超对称。但目前还没有具体模型,即使我们能 够构造具体模型,也会出现如何从零宇宙学常数过渡到非零宇宙学常数的问题。还有一种理论认为时空有某种复数上的对称性,这是’t Hooft提出的观点,也没有多少人接受这种可能。

总结一下,暗能量的理论研究还有很长的路要走,也许观测是最终决定哪一种唯象模型是正确的手段。按照现在计划中的暗能量观测手段,在10年以后达到的精度只是能够测量到状态方程指数w的10%左右的变化,并不足以排除多数模型,虽然能够排除一些模型。

超弦在研究暗能量上面的进展前面已经提到,不再赘述。超弦的另大一类与宇宙学相关的研究是暴涨理论。

目前存在两大类超弦暴涨模型,一类是膜暴涨模型。在这类模型中,驱动暴涨的是膜与膜(反膜)之间的距离,暴涨能量是距离的函数。这类模型在满足慢滚 条件方面很成功,利用了所谓的warped紧化。另一类模型是假定存在很多轻标量场,这类模型叫N-flation。在这两大类模型之外,还存在一些其它 零散的模型,但并不具备普适性。

弦论暴涨模型现在遭遇到的可能的挑战是大的非高斯性。最近的一项对WMAP分析的工作表明,极有可能存在很大的局域非高斯性,如果被证实,将排除所有标准慢滚单标量场模型,包括膜暴涨模型。当然,膜暴涨模型还有进一步发展的空间,来解释大的非高斯性。



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