宇宙不确定性原理可以帮助解释暗物质吗
## 宇宙的膨胀，暗能量的本质，或许有另一种答案？
根据一项新理论，宇宙或许有它自己的海森堡不确定性原理。
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其运作方式如下。
美国国家航空航天局发布的图像，描绘了叠加红色半圆形结构的星系，以表示被认为存在于此的暗物质质量。
（图源：暗物质，R·卡普托等人，2016；背景，阿克塞尔·梅林格，中央密歇根大学）
在过去数年里关注宇宙学的人都会意识到，我们尽力解释宇宙为什么以其方式存在，但尝试过程中仍存在诸多问题。
我们的标准模型Lambda-CDM（LCDM）是科学史上最成功的理论之一。
它解释了宇宙微波背景、星系的大尺度分布、轻元素丰度，以及我们进行的几乎所有其他大规模观测。
而问题就出现在L，即Lambda上。
Lambda是宇宙学常数，被爱因斯坦用来表示真空能量，在解释宇宙加速膨胀的原因上起到重要作用。
问题在于我们并不知道为什么Lambda有如此数值。
物理史上最糟糕的预测之一，就是量子场论的预测值超过测量值约122个数量级。
除此之外，宇宙似乎正以不同的速率膨胀，而此速率取决于我们是合理测量后得出，还是从早期宇宙数据中推断得出。
这就是名为哈勃常数争议的经典分歧。
尽管研究已有几十年，问题并没有得到解决。
在一篇发布于预印本平台arXiv的新论文中，布朗大学的理论物理学家萨瓦斯·库夏帕斯提出了一项不同以往的猜想。
他认为，宇宙可能有它自己的海森堡不确定性原理。
宇宙的大小和膨胀速度不能被同时精准确定，这基本的模糊性或将足够解释暗能量，而无需再援引任何新物理学。
库夏帕斯的猜想避开了这两个问题。
他没有引入新粒子或新场，而是提问道：如果我们把宇宙的标度因子（尤其是它的大小）和扩张速率看作不完全对易的量子力学算符，那样会发生什么。
在普通量子力学中，同样的非对易性带来了不确定性原理：位置和动量不能同时被测定。
将相同的理论运用至整个宇宙，你会获得弗里德曼方程的变式，即表述宇宙如何膨胀的主方程。
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有了这项新的暗物质理论后，三个宇宙之谜将被解开。
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什么是量子引力？科学家认为它可以解释宇宙起源。
==宇宙扩张得有多快？天文学家或离解决‘哈勃问题’更近一步。
该变式依赖于一个单一自由指数。
当指数为正时，变式方程会自然推导出晚期的加速膨胀，且不需要暗能量。
宇宙表现得好像它有一个内置的宇宙学常数，但加速源于它自身量子模糊性的几何学特征，而不是一些神秘的真空能量。
这带来了更多有趣的现象。
此方程也预测了类暗能量行为不会完全恒定。
在这个模型中，有效的状态方程常数（一个宇宙学家用来描述暗能量的数，作为真正的宇宙学常数恒等于-1）得出的结果略大于-1。
这正是暗能量光谱仪等当今研究都曾捕捉到的偏差，而下一代的研究一定会证实或排除它。
如果你翻转该指数的符号，那么同样的机制会产生完全不同的结果。
它不再加速晚期宇宙的膨胀，而是抹平早期宇宙的不规则性，将大爆炸奇点替代为库夏帕斯所称的“经典反弹”。
宇宙缩小为最小尺度，然后膨胀。
没有无限的密度，也没有t=0时物理学的崩溃。
同时还存在着一些提示。
这是一篇单一作者的理论性论文，而并非一份观测报告，且包含了大量的计算推导。
模型假设了空间上的平直宇宙，这在现有数据下成立。
它还需要膨胀速率是一个表现良好的量子算符，这反之又会修正其中一个自由参数。
最大的问题是，数据中是否会显现出该模型预测与Lambda-CDM之间的特定偏差，还是宇宙仍将严格遵循暗能量状态方程的-1值。
我们很快就会知晓。
暗能量光谱仪、欧几里得任务和薇拉·鲁宾天文台都负责精确测量该模型预测将偏离纯宇宙学常数的量。
如果他们不断发现状态方程略大于-1的迹象，库夏帕斯的宇宙不确定性原理将十分令人感兴趣。
BY: Paul Sutter
FY: 秋雾
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