宇宙学家认为,一种被称为“第五元素”的奇特物质可能会加速宇宙的扩张,物理学家说我们的宇宙可能充满了这种神秘物质。
在物理学中,第五元素,英语:quintessence,又译作精质,更确切地说是标量场,被认为是对观察宇宙加速膨胀的解释。1998年首次提出这个词,这个概念被扩展为时变暗能量的更一般类型。一些物理学家提议将其作为第五基本力量。它与暗能量的宇宙学常数解释不同,在于它是动态的。就是说,它随时间变化,这与宇宙常数不同,宇宙常数从定义上说不会变化。
第五元素(Q)是一个标量场,具有状态方程,其中wq,压力pq与密度之比由势能给定V(Q)和一个动力学项:
因此,第五元素是动态的,并且通常具有随时间变化的密度和wq参数。相反,宇宙常数是静态的,具有固定的能量密度,wq = -1。
宇宙学家说,他们已经发现了很多年前的光在宇宙中移动的方式的一种有趣的扭曲迹象,这可能为暗能量的性质提供线索。暗能量似乎正在推动宇宙以更快的速度膨胀。在普朗克太空望远镜收集的宇宙微波背景(CMB)数据中识别出的光扭曲和宇宙的加速可能是由宇宙的“第五元素”产生的,这种奇异的物质普遍存在于宇宙中。
因此,这样的发现需要对当前理论进行重大修改,物理学家警告说,证据还是暂时的,它不符合用于确定信号是否为发现的“5 sigma”阈值。但它强调了这样一个事实,即现代宇宙学对宇宙的认知仍然不完整。
以专门研究量子力学、引力和宇宙学著名的理论物理学家、肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)说,如果暗能量是一个典型,那么它对膨胀的推动可能会缓慢地消失,甚至可能逆转而成为一种吸引力,从而导致宇宙“崩溃大危机”。”这项研究发表在最近的《物理评论快报》上。
第五要素
1998年,来自两次超新星的单独调查,首次发现了未知力量正在推动宇宙膨胀加速的直接证据。此后,许多其他研究证实了这种被称为暗能量的力量的存在,提供了关于其性质的宝贵信息。
研究人员的第一个猜测(目前仍然是主流理论)是暗能量是空间的固有属性,这意味着每单位空间体积的暗能量的数量被固定为“宇宙常数”。但是一些宇宙学家认为,暗能量完全是由其它物质构成的。他们称其为第五元素或以太之后的典型概念,即古希腊哲学家对一种看不见的物质赋予的名称,认为该物质填满了宇宙的所有空白空间。
达特茅斯学院的宇宙学家罗伯特·考德威尔(Robert Caldwell)表示,与宇宙学常数不同,“第五元素是一种有形的媒介,它本身具有波动性”,他是最早提出这种物质存在的研究者之一。他说,第五元素可能具有介于物质和宇宙常数之间的性质。随着宇宙的膨胀,宇宙常数将保持恒定的密度,而第五元素的密度将减小,尽管不如物质密度快,物质密度随着星系的分布而下降。
1998年,卡罗尔提出了一项关于第五元素3(quintessence3)的实验性测试,基于这一预测会改变光在太空中的传播方式。霍普金斯大学理论物理学家马克·卡米翁科夫斯基(Marc Kamionkowski)领导的小组计算出了如何在宇宙微波背景中测量这种效应,宇宙微波背景通常被称为大爆炸的余辉。研究人员建议,有可能通过查看宇宙微波背景上的偏振光图来检测典型现象。当光的电场在一个特定的方向而不是随机的方向“摆动”时,它就会偏振。该理论说,第五元素扭曲了极化指向的方向,这种方式可以通过观察整个天空的极化来检测。
日本筑波高能加速器研究组织的物理学家Yuto Minami和普朗克天体物理研究所的物理学家Eiichiro Komatsu,去年使用他们报告的一种新技术能够检测出第五元素的迹象5。普林斯顿大学的著名女物理学家Suzanne Staggs说,他们的研究结果与其他小组的研究结果不同,其他小组的研究查看了宇宙微波背景极化图,没有发现任何扭曲,她的团队使用阿塔卡马宇宙望远镜(ACT)测量了宇宙微波背景辐射。她的小组计划在ACT数据上尝试使用他们的技术。她说:“我们有兴趣探索它。”
重大影响
英国剑桥大学著名的宇宙学家乔治·埃夫斯塔硫(George Efstathiou)说,这篇论文是“相当不错的分析”,但是普朗克信号中的噪声可能是一个复杂的因素。
物理理论学家也在谨慎地回应。卡罗尔说:“如果它是真实的,那就大了。”但是他指出,结果的统计意义(仅为2.5 sigma)微弱,并表示,在进一步审查后,这种结果通常会逐渐消失。
第五元素的存在不仅对宇宙学而且对基础物理学都有影响:粒子物理学的标准模型也无法预测任何第五元素。如果能把第五元素作为解释的话,它将对宇宙特征的最佳估计(包括年龄)产生连锁反应,这可能比宇宙学家根据普朗克数据计算的138亿年还年轻。这也可能有助于解释为什么宇宙微波背景数据预测宇宙应该以比目前观察到的慢的速度扩张。
“我们对宇宙将如何结束的认知又回归为零。”