我們是否生活在宇宙的一個特殊時期?

宇宙的演化歷史。宇宙在開始的時候經歷一次暴漲，大約40萬年形成了我們今天觀測到的微波背景輻射。在某一個時期，宇宙由於未知的暗能量的作用開始加速膨脹。（? NASA/WMAP）

上個世紀天文物理學一個非凡成就是通過測量最老恆星得出的宇宙的年齡與通過觀測星系退行得出的年齡相似。兩個截然不同的方法相吻合讓我們有理由相信這兩個方法是在正確的道路上。但是得出的兩個數字並不是完全一致的，科學家迅速的意識到了一個重大的差異：最老的恆星大約為120億年，而宇宙的年齡才90億年。你不可能比你母親還要老， 在宇宙中的天體也不可能存在於宇宙大爆炸之前。直到1998年，當科學家發現宇宙是在加速膨脹，這個矛盾才得以解決。通過對超新星的觀測，宇宙加速膨脹需要引進一個宇宙學常數才能解決這個問題。重新計算表明，宇宙存在的時間要比原先認為的久很多，大約為140億年，這就解決了最老的恆星的問題。

註：為了使宇宙保持靜態，愛因斯坦首次在他的場方程中引進了宇宙學常數。但是當哈勃發現宇宙正在膨脹的時候，愛因斯坦宣稱這是他一生中最大的錯誤。不過，他沒想到的是，宇宙加速膨脹使宇宙學常數死灰復燃。宇宙學常數是解釋暗能量最自然也最簡單的一個選擇。

但是這個新發現又給我們出了一個新的難題：宇宙的運動由物質（而物質產生的引力使膨脹變慢）和加速度（使宇宙膨脹變快）支配。隨著宇宙的膨脹，平均物質密度也會穩定的減少，隨後這個值會變的越來越小。有趣的是，物質的平均密度與宇宙學常數的值在這個時期幾乎相等，即所謂的宇宙巧合問題。

宇宙中不同成分的演化。虛線代表輻射密度參數，統治了早期的宇宙；點線則代表物質密度參數，隨著宇宙的演化慢慢地取代輻射的統治地位；實現則代表宇宙學常數的密度參數。灰色區域代表了一個短暫的時期（我們正生活在這個時期），物質密度與暗能量密度在今天幾乎相等。（? Navin Sivanandam，arXiv:1203.4197）

另一方面，物理學家認為宇宙學常數很可能是量子真空能量。這個想法非常有吸引力，但是，基於量子力學計算的真空能量值要比實際觀測的能量密度大的多，要高出120個數量級，這個結果被驚嘆為「物理史上最糟糕的理論預測」。這便是宇宙學常數問題，解決這個問題的方法有人擇原理或多重宇宙等。

哈佛大學的天文學家Arturo Avelino和Bob Krishner剛剛發表了一篇論文呼籲大家注意另一個謎題。宇宙並不是以恆速膨脹，在宇宙演化的前90億年間，宇宙是在放慢膨脹的步伐。但是，在過去的50億年間，宇宙由神秘的暗能量接管，使宇宙加速膨脹。從超新星的觀測數據中得出，宇宙的無量綱年齡 H?t? ～ 1（H? ≈ 70 km s?1 Mpc?1 為哈勃常數，t? 為宇宙現在的年齡）。這很奇怪，因為在宇宙時間的跨度上，H?t?可以有廣泛的取值，但是它卻恰好近似於1。

H?t(a)隨著宇宙標度因子演化。黑線代表的情形是H?t = 1，而紅線對應於宇宙ΛCDM模型的取值。（? A. Avelino and R. Kirshner）

儘管這個問題聽起來好像跟巧合問題相似，但作者強調這個新的謎題其實是不一樣的：很明顯我們生活在一個特殊的時期；其它的謎題並不暗示這一點。對這些問題的解釋還未出現。如果有一些特定的新的基本粒子被發現，那麼這些新粒子或許可以提供答案。但就目前來說，唯一能確定的是，我們需要更多的觀測研究。

參考來源：