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这只变色龙支配了宇宙的命运

 星光闪亮图书馆 2017-06-25

我们的宇宙每天都在变的越来越大。空的空间正在膨胀,星系之间的距离越来越远。即使是星光在膨胀的虚空之中也犹如橡皮筋般被拉伸。



被拉伸的光线。(? E.Siegle)


虽然不久前一项最新研究宇宙更倾向于宇宙以稳定的速率膨胀,而不是加速膨胀。但是该结果要盖棺定论还需要更多努力,因为其它的天文观测证据强有力的支撑着加速膨胀的宇宙。但究竟是什么推动宇宙加速膨胀?


如果我们对引力的理解是正确的,那么在宇宙中就存在着一些其它的物质,占据了总能量密度的三分之二,而且行为跟普通物质非常的不同。所以问题是,这个东西究竟是什么?


这个东西就是所谓的暗能量,科学家除了知道它是使宇宙加速膨胀的罪魁祸首,对它的真实面目却是一无所知。对暗能量的正确了解也可以帮助科学家理解宇宙未来的最终的命运。有一些理论家怀疑是否有可能,在宇宙中其实存在着一些非常特别的粒子能够导致空的空间膨胀。但是,为了能够跟宇宙学的观测相一致,一个这样的暗能量粒子必须要有一系列令人费解的性质。其中的一个候选者就是变色龙粒子,之所以称之位变色龙是因为它的性质会随着周围的环境而改变。变色龙粒子最是早由Justin Khoury和Amanda Weltman提出来的【文献2,3】


在空的空间的深处,一个变色龙粒子或许是几乎无质量的,使它跟其它粒子间的引力吸引最小化。但是在地球上(或者其它任何密度高的环境),变色龙粒子的质量会变得很大。这就限制了它跟普通物质之间的相互作用,因此对大多数探测器都是隐形的。




如果物质是音乐,那么普通物质就像是钢琴上的琴键。每个粒子都有离散的质量,就好像是每个钢琴键只会弹出一个单音。但是变色龙粒子就像是长号上的滑管,可以随着背景噪音的量来改变自己的音高。


除了质量会变化,变色龙粒子还有一个奇异的性质,就是必须施加一个负压。根据经典定义,压强是粒子施加在它们容器的力。当容器是由物质(就像是气球的橡胶)构成的,它会随着内部压强的增加而膨胀,当压强减少时就会慢慢放松到原来的状态。但是,现在的情况是容器就是时空自己,因此会发生逆向作用。举个例子,当一个生日气球充满了空气,周围的空间就会轻微的收缩。但是当气球释放空气的时候,压强就消失了,空间就会恢复正常。


所有已知的粒子,当它们的压强增加时都会使空间收缩,当压强趋近于零的时候空间就会恢复。但是为了能够使宇宙膨胀,一个粒子必须能够施加负压,这个想法在宏观的物理世界中几乎是疯狂的,但是在微观尺度却是有可能的。


其实,这个想法其实最初源自爱因斯坦,如果你把一个带负压的物质放进爱因斯坦的场方程中,就会得到一个加速膨胀的宇宙。


这样的一种粒子如果存在会跟我们已知的物理完全不同。物理学家希望如果这种粒子存在,它们应该大量存在于空间深处和我们的太阳系。



CAST实验。(? CERN)


大部分的实验都是通过间接的方法来寻找变色龙粒子的存在,通过监视普通物质的性质,来寻找变色龙粒子带来的效应。但是“太阳轴子望远镜”,或者CAST实验,希望能够直接捕捉到从太阳辐射来的变色龙粒子。


CAST实验的望远镜是专门设计来寻找从早期宇宙和太阳辐射来的罕见和奇异的粒子。最近CAST的团队近期安装了一个特别的放大镜,用来收集以及聚焦粒子到悬挂在谐振电磁腔内的敏感薄膜上。他们希望如果变色龙粒子存在,并且从太阳产生,他们就会看到当那些粒子流被薄膜反射的时候会施加非常小的压强。


到目前为止他们没有看到任何意料之外的事情,但是在这个冬天刚刚升级的设备会大大增加实验的灵敏度,能够探测来自太阳的变色龙粒子。


暗能量是物理学最大的挑战,并且没有任何理论可以解释。我们需要往奇异中的奇异寻找可能的答案。而变色龙粒子恰好提供了一个可能的答案,我们只希望变色龙粒子不要将自己隐藏的太深。


参考资料:

[1] http://www./article/is-there-a-dark-energy-particle

[2] Justin Khoury, Amanda Weltman ,“Chameleon fields: Awaiting surprises for tests of gravity in space ” Phys.Rev.Lett. 93 (2004) 171104 

[3] Justin Khoury, Amanda Weltman ,“Chameleon cosmology” Phys.Rev. D69 (2004) 044026 


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