近日，精密測量院研究員蔡慶宇等科研人員在暗能量研究領(lǐng)域取得了新進(jìn)展，相關(guān)理論結(jié)果發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊Phys.Lett.B上。

　　1998年，高紅移超新星搜索隊(duì)觀測組發(fā)表了Ia型超新星的觀測數(shù)據(jù)，顯示宇宙在加速膨脹。1999年，超新星宇宙學(xué)計(jì)劃證實(shí)了該結(jié)果。鑒于在宇宙尺度上，星系受到引力相互作用，宇宙加速膨脹暗示了宇宙中還存在一種尚未認(rèn)知的能量，也被稱之為暗能量。結(jié)合含有宇宙學(xué)常數(shù)的冷暗物質(zhì)模型，普朗克衛(wèi)星2013年給出的數(shù)據(jù)表明，宇宙總能量中有68.3%是暗能量、26.8%是暗物質(zhì)，而普通物質(zhì)只占4.9%。

　　暗物質(zhì)和暗能量已經(jīng)成為當(dāng)今物理學(xué)天空中的兩朵烏云。相比于已經(jīng)開展諸多實(shí)驗(yàn)研究的暗物質(zhì)，暗能量的起源及其性質(zhì)顯得更加神秘莫測。如果理論上能夠?qū)Π的芰康目赡芎蜻x對象進(jìn)行逐一排除，則可以有效縮小研究范圍，使科學(xué)家的理論和未來實(shí)驗(yàn)研究更加有的放矢。

　　占據(jù)宇宙大部分能量的“暗能量”究竟是什么？

　　一般認(rèn)為，暗能量有兩個可能的候選對象：量子效應(yīng)（真空能），或標(biāo)量場。量子力學(xué)不確定關(guān)系預(yù)言，即使在真空中，也會存在虛粒子漲落，導(dǎo)致真空能量不為零。量子效應(yīng)導(dǎo)致的真空能等效于一個宇宙學(xué)常數(shù)，扮演暗能量的角色，導(dǎo)致宇宙加速膨脹，這也是為什么科學(xué)家把真空能作為暗能量最佳候選者的原因。然而，量子場論給出的真空能是發(fā)散的，即使采取紫外截?cái)啵鋽?shù)值也要比實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果高出120個數(shù)量級。如果采用量子場論中算符重新排序的方法，則會嚴(yán)格消除真空能（嚴(yán)格為0），這也顯然違背了不確定關(guān)系。

　　在近期的理論工作中，蔡慶宇與咸陽師范學(xué)院博士何東山合作，從量子宇宙學(xué)方程——惠勒-德威特方程出發(fā)，使用德布羅意-玻姆量子軌道理論，給出了帶有量子修正的弗里德曼方程，并依次研究了宇宙從小到大過程中其量子效應(yīng)的變化。他們發(fā)現(xiàn)，在宇宙很小時，其量子效應(yīng)十分顯著，可以有效推動宇宙加速長大。伴隨著宇宙長大，其量子效應(yīng)迅速衰減。對于長大后的宇宙，無論是真空還是物質(zhì)主導(dǎo)，其量子效應(yīng)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于暗能量的數(shù)值（但并不為0），無法為宇宙加速膨脹提供足夠支持。

　　研究還發(fā)現(xiàn)，如果假設(shè)存在一個慢滾標(biāo)量場，宇宙的行為將會由邊界條件確定。對于哈特爾——霍金的宇宙無邊界邊界條件，給出的宇宙波函數(shù)無法提供加速，宇宙既無法加速膨脹，也無法加速收縮，這顯然與實(shí)際不符。對于魏蘭金（Vilenkin）的宇宙隧穿圖像，假如存在一個慢滾標(biāo)量場，則可以導(dǎo)致宇宙加速膨脹。

　　該研究不僅有效排除了真空能作為暗能量的可能性，而且對標(biāo)量場作為暗能量候選也給出了理論限制，為進(jìn)一步研究暗能量的性質(zhì)聚焦了方向。

　　該項(xiàng)研究得到了國家基金委杰出青年基金和陜西省自然科學(xué)基金的支持。

　　論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.physletb.2020.135747