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量子力學將解開宇宙「暗能量」之謎?

上網時間: 2007年02月12日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:暗能量  量子力學  宇宙常數  愛因斯坦  宇宙膨脹論 

一般認為應該逐漸減緩的、謎一般的宇宙加速膨脹現象,被假定是由暗能量(dark energy)所推動的。稱其為「暗」,是因為這種能量並未被檢測出來。不過一群參與Essence國際合作計畫的科學家發現,愛因斯坦(Einstein)「宇宙常數(cosmological constant)」對量子力學(quantum mechanical)之闡釋,就是解釋暗能量最簡單的方法;他們對暗能量的量測已達到10%的精度。

科學家認為量子力(quantum mechanical force)與暗能量有關,如荷蘭科學家Hendrick Casimir在1948年推斷同時出現在太空中的光子(photon)──即解釋暗能量的量子力學──可將極微小的微機電系統基板(MEMS plate)推在一起,此後美國普渡大學(Purdue University)教授Ephraim Fischbach,和Los Alamos國家實驗室的Steve Lamoreaux都測量到了這種被稱為「Casimir force」的能量。

Essence團隊的科學家使用來自宇宙中最古老的60個星系的資料,來測量這些極微小的能量(即暗能量)的最初來源。他們使用了4m口徑的Cerro Tololo Interamerican天文台望遠鏡收集了4年的資料,並同時使用European Southern天文台建置於南美智利的8.2m口徑的VLT (Very Large Telescope)、6m口徑Magellan望遠鏡,以及位於夏威夷的4m口徑的Keck望遠鏡和10m口徑的Gemini望遠鏡來驗證量測結果。

來自世界四大洲、共38位的Essence科學家最後的結論是,暗能量是從虛空(empty space)所發出的能量。從量子力學的角度看,虛空並不穩定,不過根據統計資料,光子和次原子微粒(subatomic particles)會在某種程度上逸入真空,代表所謂的「虛」只是一個近似值──事實上太空中充滿了處於常態的粒子(particles)和反粒子(antiparticles)。

而目前科學家也已經可以驗證這種現象──將某個密閉空間的氣體全部抽出,當所有的原子(atom)都被抽出來,粒子就會透過一種稱為「真空波動(vacuum fluctuation)」的方式滲透進去。

哥本哈根大學(University of Copenhagen)團隊的首席研究員Tamara Davis表示:「真空的能量和真空波動是相互關聯的,但並不能肯定它們是同一件事情。我們對收集到的最新資料進行了分析,檢驗各種不認為真空能量是宇宙膨脹源頭的模型,發現任何一個模型都沒有比愛因斯坦宇宙常數的量子力學闡釋是宇宙膨脹推動力的那個模型更具說服力或更簡單。」Davis與同事Jesper Sollerman是在丹麥的黑暗宇宙論中心(Danish Dark Cosmology Centre)進行這項研究工作。

愛因斯坦提出宇宙常數,原是為了支持其宇宙為靜態(static)而非逐漸膨脹的假說;不過研究人員卻認為,真空能量的量子力學闡釋是宇宙膨脹最可能的成因。由重力學的角度來看,宇宙常數是以萬有引力為背景所做的量測結果。

「我們測量的是暗能量的狀態方程式(equation-of-state),即是用以解釋暗能量的力道與其密度之關連性的運算式。」Davis和同事將繼續積累觀察結果,對過去與現在有關古老宇宙學說的差異性進行比較,並計畫透過位於歐洲核子研究中心(CERN)的世界最大的大型強子對撞器(Large Hadron Collider)來研究最新結果。

根據Davis和其他天體物理學家的計算,除非真空釋放出觀察到的負壓力,否則宇宙的70%就是由暗能量組成。Essence來自各地的科學家是透過觀察即將死亡的恆星得出以上的結論,這些恆星發的光約是來自目前的宇宙約一半年齡的時候。

(參考原文:Quantum mechanical theory behind 'dark energy'?)

(R. Colin Johnson)




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