中国科学家实验检验暗能量理论--阴性结果

中国科学家实验检验暗能量理论--阴性结果
近日，中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室杜江峰院士团队与南京大学组成的联合研究组在暗能量探测领域取得重大进展，利用抗磁悬浮力学系统在实验室环境中对一种重要的暗能量理论──变色龙理论进行了实验检验，未发现该理论预言的“第五种力”，从而排除了其作为暗能量的可能。这是所有暗能量理论中的首个确定性的实验检验。相关研究成果日前在国际学术期刊《自然物理学》发表。
宇宙学和天文学的一些观测事实表明，我们的宇宙正处于加速膨胀中，而暗能量被认为是驱动膨胀的原因。但是，对于暗能量的本质是什么，以何种方式与我们的世界发生作用，目前仍然未知。为探索神秘的暗能量场，国际上布局了多种实验研究计划，传统的手段主要是借助天文观测或大型物理装置，如太空望远镜、地下实验室以及大型高能粒子加速器等。中科院微观磁共振重点实验室于近年来创新发展了基于固态自旋、气态原子、微力学系统等能够在实验室尺度开展探索的实验体系和技术，为拓展人类对宇宙的认识提供了新途径，已完成一系列重要的实验研究。
此项研究针对一种重要的暗能量理论──变色龙理论开展实验检验。变色龙理论是用来解释宇宙加速膨胀的一种理论模型，该理论的最大特征之一是预言了已知四种基本相互作用外的“第五种力”，在形式上可以写为万有引力作用的微小偏离，这为实验研究提供了可能。本工作研究人员利用抗磁悬浮力学系统作为力探测器，精巧构建了亚毫米尺度的具有超高灵敏度的“桌面式”力探测平台，对变色龙理论所预言的第五种力进行了检测。研究中，对变色龙场做了精细的数值模拟和基于此的第一性原理几何设计，对质量源与力探测器采用了薄膜结构，有效解决了变色龙场
在质量源端和力探测器端的双重屏蔽困难；并且，实验中产生了超长相干时间的第五种力驱动以提高力探测精度。以上技术极大提升了对第五种力的探测效率，实现了迄今为止对变色龙理论的国际最高检测精度，将理论预言的变色龙作用力上限限制到6 x 10-17牛。结合先前其他实验，该研究最终完成了基础变色龙理论的全参数空间检验，未发现该理论预言的“第五种力”，从而确定性地排除了这一暗能量理论。
审稿人高度评价该工作：“在我看来这是一个非常重要的成果，代表了该领域的一个重大进展。这一工作充分展示了精密力探测与宇宙学研究的交叉融合，有望激发宇宙天文学、粒子物理学和原子分子物理学等多个基础科学领域的广泛兴趣。”
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缺失物质（Dark matter）（30％与我们所知道的不到5％之间的差异）被称为暗物质。其余负压的东西称为暗能量。暗能量是一种不可见的、能推动宇宙运动的能量，宇宙中所有的恒星和行星的运动都是由暗能量与万有引力来推动的。
广义相对论场方程说明了物质与能量如何决定时空的几何结构，确定空间如何弯曲。为了确保广义相对论场方程描述的是一个静态的宇宙模型，爱因斯坦在方程的左边人为加入了宇宙常数项屉冲来抵消引力收缩的趋势，形成了“有限无界的静态宇宙”模型。但是，1929年，哈勃发现了星系红移现象，并且星系的红移量与该星系的距离成正比关系，说明距离我们越远的星系在以更快的速度远离我们。这个结果显然和静态宇宙模型不符，爱因斯坦思考后果断抛弃了宇宙常数项。
20世纪末人们对宇宙膨胀又有了新的认识。三个独立的天文小组对标准烛光的Ia超新星亮度进行了观测，发现了宇宙加速膨胀的物理事实。因为发光物体的亮度与距离的平方呈反比例关系，如果超新星的亮度比均匀膨胀宇宙模型中距离平方的预测亮度更高,说明宇宙在减速膨胀，相反则说明宇宙在加速膨胀。
1998年的观测结果显示，la超新星的亮度比均匀膨胀宇宙的预测更暗，证实了宇宙正在加速膨胀。1965年,美国贝尔实验室的工程师彭齐亚斯和威尔逊测量得到了充盈空间并且各向同性的宇宙微波辐射，宇宙背景辐射的存在与大爆炸理论相互契合，它就是由大爆炸后遗留火球发射的光子传递到地球而引起的，由微波背景辐射计算得到的宇宙能量密度与之前Ia超新星的观测结果一致。
2013年，欧洲航天局用于测量宇宙微波背景辐射的普朗克卫星给出了较为精确的宇宙构成：4.9%的可见物质(宇宙中所有的恒星、原子气体、星系团高温气体等)、26.8%的暗物质和 68.3%的暗能量。其中，暗能量不仅是造成暗物质和68.3%的暗能量。其中，暗能量不仅是造成宇宙加速膨胀的原始推动力，更是主宰未来宇宙命运的唯一参数叫虽然暗能量对于我们的宇宙如此重要，但是暗能量的重要性仅在宇宙尺度下才会显现出来。现代物理宇宙学计算出维持宇宙加速膨胀的临界密度为Pc~10-29g/cm3。
暗物质和暗能量是宇宙的主要组成部分，其能量密度远远小于我们所熟悉的各种形式的能量。目前，用于观测宇宙大尺度结构、微波背景辐射、引力透镜效应等的诸多大实验装置都无法直接找到暗能量存在的证据。虽然缺乏实验数据，不过现代宇宙学模型给出了暗能量的基本特性：充满整个宇宙空间，能量密度极低，负压力和随时间逐渐积累。研究者对于暗能量的本质和起源还缺乏统一的理解和认识，真空能是解释暗能量本质的候选者之一。
诺贝尔奖得主李政道教授曾解释过真空的物理含义：“真空是物理的相对论性的凝聚态，它虽然没有物质的态，但却是有作用的，也是可以激发的该理论认为，存在一种真空，能充斥整个宇宙并且占据主导地位，我们对暗能量的认识则与它相符合。
另外，也有研究者认为，可以在宇宙学状态方程中引入一种标量场，用于解释宇宙加速膨胀冈标量场理论允许暗能量存在不均匀，宇宙形成早期的辐射能密度下降到某一临界值以下将促使标量场产生作用，推动宇宙逐渐加速膨胀。
还有研究者认为,光压也是暗能量的候选者之一。光压方程指出，光压的大小与加速度的四次方成正比，这意味着到达宇宙边缘的光压会驱动宇宙加速膨胀，从而符合目前的实验观测结果。但很显然，目前任何一种暗能量的理论都还很不成熟，甚至也有科学家怀疑暗物质和暗能量是否真的存在，可能它们仅仅是我们把相对论原理无约束地推广到宇宙大尺度条件下而导致的矛盾人们对于暗能量的起源和特性充满好奇，不断地探索造成暗能量源源不断地产生，抵消引力的同时造成宇宙膨胀的原因。
根据目前的观测研究，我们可以确定暗能量具有如下性质：
(1)不发射也不吸收光予；
(2)具有相当大的负压力；
(3)空间分布均匀，至少在星系团的尺度范围内都不会聚集成可观测可识别的结构；‘
(4)暗能量的密度不随字宙演化而改变。