PPT《暗能量的理论问题》

暗能量的理论问题 李 淼中国科学院理论物理研究所2004年基金委杰出青年基金设立十周年纪念大会 1998年,两个独立的小组通过对Ia型超新星的研究得出一个惊人的结论:我们的宇宙在加速膨胀.

无论是在老的Newton引力理论中,还是在Einstein的广义相对论中,能量只产生引力,这样宇宙如果膨胀,只能作减速膨胀,这一直是现代宇宙学的一个假定.加速膨胀的宇宙,在Einstein理论中可以用一个所谓的宇宙学常数来产生.用现代的量子场论的语言来说,就是存在一个正的真空能量密度.真空能量密度的特点是,其压强的绝对值在自然单位制中与质量相等,但是负的:实验值是 宇宙学常数问题有相当长的历史,特别是在人们开始关注量子引力问题之后,这个问题变得越来越重要,因为:(1)首先,暗能量只与引力耦合,所以只有在引力理论中才能研究.例如,在没有引力的量子场论中我们总可以将零点能设为零而不影响任何其它物理.(2)在经典引力中,我们总可以引入爱因斯坦宇宙学常数使得暗能量为任意值,只有在量子引力理论中,宇宙学常数或暗能量才可能是一个可计算量,也就是说,才可能是唯一的,或者是离散的. 众所周知,宇宙学常数问题在基本理论中一直是一个难题.最简单的理论估计说明真空零点能与可能的极小距离有关,所以这就使得理论值与观测值相距很远:即使引入超对称,我们只能将120个量级改善到60个量级. 目前存在许多"理论"和模型来解释暗能量问题,却没有一个为大多数研究者所接受.这些模型大致可以分为以下五类:(1)超对称/超引力,超弦理论.(2)人择原理(anthropic principle).(3)调节机制.(4)改变爱因斯坦引力理论.(5)量子宇宙学.最近出现第六类理论,就是所谓的全息暗能量理论.我们没有时间解释所有这些五类理论,仅说明一下第一类,然后着重介绍全息暗能量理论. 超对称/超引力,超弦理论.Witten喜欢说,目前没有一个超对称破缺机制是正确的,因为这些机制在给出粒子谱的分立的同时,也给出一个零点能:传统上的超引力和超弦理论也没有办法完全绕开这个困难. 全息暗能量近年来量子引力(包括超弦理论)的研究的一个重要结果就是全息原理(holographic principle).这个原理受到黑洞的量子性质所启发. 全息原理说,一个区域的量子态都可以由这个区域的边界上的自由度所描述.一个具体的例子是,黑洞的熵正比于其视界面积:一个不同于黑洞的系统,其熵比黑洞的熵小,从而上面的等式变成不等式.1998年,A. Cohen等人提出,零点能应该由一个系统的宏观截断所决定,原因是,如果系统的尺度足够大而零点能与之没有关系,这个系统就会坍缩成为黑洞,所以他们建议: 这里, 是这个系统的红外截断.他们建议,这个截断在宇宙学中就是Hubble尺度.最近,有人指出,如果这个截断是Hubble尺度的话,零点能不能满足暗能量的状态方程.稍后我提出,红外截断应该是事件视界半径:这样的话,状态方程与目前观测结果吻合.特别地,当d=1的时候,我们有用现在关于暗能量的观测值带入,我们得到 最新的实验分析结果 全息暗能量模型的有许多好处,例如,它将所谓宇宙学巧合问题归结为宇宙暴涨期延展时间.最近,也有人将全息暗能量与WMAP实验的另一个宇宙学巧合问题联系在一起,这就是微波背景辐射功率普四极矩的短缺问题.我们最近还对全息暗能量做了人择原理的研究,发现与宇宙学常数相比,人择原理更倾向于全息暗能量.当然,无论是理论还是实验,暗能量的研究还有很长的路要走.理论方面,由于一个完整的量子引力理论还没有建立,暗能量的起源还是不清楚.也许暗能量的理论研究本身会带来对量子引力的深刻理解.实验上,要真正确定暗能量的性质(如状态方程),还需要将超新星的样品提高一个到两个量级,这需要五年甚至十年以上的时间. 国内能做的事:(1)当然,实验永远是最重要的,我们应该寻求西方同行还没有想到的切实可行的观测方法,中国对这样重要的领域应该有所贡献.(2)理论上的事做起来花钱少,也比较可行.国内已经有了一定数目的研究引力、宇宙学和弦论的人.我们应该支持这些人集中一部分精力研究暗能量的理论起源问题以及唯象问题.当然,一部分粒子物理学家应该走出过去研究的局限,将目光更多地放在宇宙学上.