錢(qián)維宏

北京大學(xué)物理學(xué)院

世界真的很小，傳統(tǒng)的數(shù)理化生是四個(gè)自然科學(xué)分支，在北京大學(xué)分別對(duì)應(yīng)著數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院、物理學(xué)院、化學(xué)與分子工程學(xué)院、生命科學(xué)學(xué)院。2025 年 7 月 6 日，中國(guó)科協(xié)年會(huì)發(fā)布的 2025 十大前沿科學(xué)問(wèn)題中，有三個(gè)恰好花落在北大物理學(xué)院下屬的三個(gè)系：天文系、大氣系和物理系，分別是宇觀天文領(lǐng)域的 “暗能量與哈勃常數(shù)危機(jī)”、宏觀大氣領(lǐng)域的 “臺(tái)風(fēng)路徑異常與強(qiáng)度突變”，以及微觀物理領(lǐng)域的 “希格斯粒子性質(zhì)和質(zhì)量起源”問(wèn)題。關(guān)于對(duì)撞機(jī)高能物理學(xué)問(wèn)題和臺(tái)風(fēng)氣象學(xué)問(wèn)題，已經(jīng)有了相關(guān)解讀，現(xiàn)在，讓我們將目光聚焦到引力天文學(xué)問(wèn)題 ——“暗能量與哈勃常數(shù)危機(jī)” 上 。

在地球上，萬(wàn)物因受到一種無(wú)形之力的牽引而向地心下落，這是再平常不過(guò)的現(xiàn)象。1687年，牛頓從蘋(píng)果落地這一日?，F(xiàn)象中敏銳洞察到背后的規(guī)律，提出了萬(wàn)有引力定律。這一定律以簡(jiǎn)潔而有力的統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)形式描述了物體之間的引力作用，成功解釋了眾多天體運(yùn)動(dòng)和地球上物體的力學(xué)現(xiàn)象。然而，隨著人類(lèi)對(duì)宇宙探索的不斷深入，牛頓引力理論逐漸暴露出一些局限性，尤其在解釋星系旋轉(zhuǎn)問(wèn)題時(shí)，遇到了難以逾越的困境。

牛頓所提出的引力概念本質(zhì)上是一種超距作用，物體之間瞬間就能感受到彼此的引力，這一觀點(diǎn)在當(dāng)時(shí)就引發(fā)了一些爭(zhēng)議。對(duì)于這種“勾引”，牛頓本人也深感不安，而愛(ài)因斯坦更是試圖另辟蹊徑來(lái)解釋引力現(xiàn)象。1915 年，愛(ài)因斯坦提出了廣義相對(duì)論，這一理論革命性地用物質(zhì)的時(shí)空幾何數(shù)學(xué)表達(dá)替代了牛頓的引力統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)表達(dá)。在廣義相對(duì)論中，引力不再是一種神秘的超距力，而是時(shí)空彎曲的表現(xiàn)。物質(zhì)和能量的存在會(huì)導(dǎo)致時(shí)空彎曲，而物體在彎曲的時(shí)空中沿著測(cè)地線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，就好像受到了引力的作用。

1917年，為了構(gòu)建一個(gè)靜態(tài)的宇宙模型，愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論場(chǎng)方程中引入了宇宙學(xué)常數(shù)（Λ）。這個(gè)常數(shù)代表著空間固有的排斥能，它的引入使得宇宙能夠保持靜態(tài)平衡，不至于因?yàn)槲镔|(zhì)之間的引力而坍縮。然而，僅僅過(guò)了 12 年，1929 年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃通過(guò)對(duì)星系的觀測(cè)，驚人地發(fā)現(xiàn)宇宙并非靜態(tài)，而是在不斷膨脹。這一發(fā)現(xiàn)讓愛(ài)因斯坦意識(shí)到自己引入宇宙學(xué)常數(shù)的做法可能是一個(gè)錯(cuò)誤，他稱(chēng)這是自己“一生中最大的失誤”，并隨后放棄了宇宙學(xué)常數(shù) Λ。

時(shí)光流轉(zhuǎn)到 1998 年，天文學(xué)領(lǐng)域又一次發(fā)生了重大突破。對(duì) Ia 型超新星的觀測(cè)結(jié)果令人意外地表明，宇宙不僅在膨脹，而且還在加速膨脹。這一發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)觀念中物質(zhì)引力應(yīng)導(dǎo)致宇宙減速膨脹的觀點(diǎn)完全相悖。為了解釋這一奇特現(xiàn)象，科學(xué)家們重新啟用了愛(ài)因斯坦曾經(jīng)放棄的宇宙學(xué)常數(shù)Λ，并將其解釋為一種神秘的“暗能量”存在，給它穿上了物理學(xué)的外衣。據(jù)估算，暗能量約占宇宙總能量的 68%，其具有負(fù)壓特性，正是這種負(fù)壓驅(qū)動(dòng)著時(shí)空加速膨脹。這一發(fā)現(xiàn)徹底改變了人們對(duì)宇宙的認(rèn)知，愛(ài)因斯坦的宇宙學(xué)常數(shù) Λ 從被認(rèn)為是錯(cuò)誤的引入，一躍成為現(xiàn)代宇宙學(xué)的核心參數(shù)，而暗能量也成為了廣義相對(duì)論框架下最神秘的未解之謎，吸引著無(wú)數(shù)科學(xué)家為之探索。

在描述宇宙膨脹的過(guò)程中，哈勃常數(shù)扮演著至關(guān)重要的角色。它就像是宇宙膨脹的“當(dāng)前速度計(jì)”，定量地刻畫(huà)了當(dāng)前宇宙的膨脹速率。精確測(cè)定哈勃常數(shù)一直是現(xiàn)代宇宙學(xué)的一個(gè)核心科學(xué)問(wèn)題。然而，近年來(lái)，科學(xué)家們?cè)跍y(cè)量哈勃常數(shù)時(shí)遇到了巨大的挑戰(zhàn)。當(dāng)使用不同的方法對(duì)哈勃常數(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，得到的結(jié)果出現(xiàn)了明顯的差異。一種測(cè)量方法是通過(guò)對(duì)早期宇宙遺跡，如微波背景輻射的觀測(cè)數(shù)據(jù)，借助特定的宇宙學(xué)模型進(jìn)行全局?jǐn)M合，從而推算出哈勃常數(shù)的數(shù)值，這種方法得到的哈勃常數(shù)值相對(duì)較小；另一種方法則是通過(guò)對(duì)近處天體，如超新星的直接觀測(cè)，利用距離階梯等手段來(lái)測(cè)量哈勃常數(shù)，其測(cè)量結(jié)果卻比前者大很多。這種矛盾無(wú)法用現(xiàn)有理論進(jìn)行解釋?zhuān)瑖?yán)重挑戰(zhàn)了主流宇宙學(xué)模型，被稱(chēng)為“哈勃常數(shù)危機(jī)”。

自 2010 年代以來(lái)，哈勃常數(shù)危機(jī)不僅沒(méi)有得到緩解，反而隨著觀測(cè)精度的不斷提升而日益深化。2025 年，韋伯太空望遠(yuǎn)鏡傳來(lái)的局部測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了哈勃常數(shù)H?差異的真實(shí)性，這無(wú)疑給本就復(fù)雜的暗能量研究帶來(lái)了更大的危機(jī)。這些持續(xù)深化的危機(jī)，迫使科學(xué)界不得不重新審視現(xiàn)有的引力理論以及暗能量的本質(zhì)。

在這樣的背景下，2025 年 7 月 6 日，中國(guó)科協(xié)將“暗能量與哈勃常數(shù)危機(jī)”列為 2025 年十大前沿科學(xué)問(wèn)題之一。該問(wèn)題指出，哈勃常數(shù)危機(jī)的解決以及暗能量動(dòng)力學(xué)本質(zhì)的揭示，將引發(fā)人類(lèi)對(duì)宇宙起源、演化以及基礎(chǔ)物理定律的全新認(rèn)知與深入反思，有望在物理學(xué)與天文學(xué)交叉領(lǐng)域催生突破性的理論變革，重塑科學(xué)范式。

那么，科學(xué)家們?yōu)楹我氚滴镔|(zhì)和暗能量的概念呢？從引力的觀測(cè)事實(shí)來(lái)看，物質(zhì)之間的引力作用會(huì)使宇宙有收縮的趨勢(shì)，然而哈勃的天文觀測(cè)卻明確顯示宇宙在膨脹。為了調(diào)和這一矛盾，科學(xué)家們提出了暗物質(zhì)和暗能量的設(shè)想。暗物質(zhì)不參與電磁相互作用，無(wú)法直接觀測(cè)到，但它具有引力效應(yīng)，可以提供額外的引力來(lái)維持星系的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)；暗能量則被認(rèn)為具有負(fù)壓，能夠產(chǎn)生一種排斥力，抵消引力對(duì)宇宙的收縮作用，從而使宇宙達(dá)到目前觀測(cè)到的加速膨脹速率。

在眾多試圖解決當(dāng)前宇宙學(xué)困境的理論中，正交碰撞理論的提出獨(dú)樹(shù)一幟。該理論認(rèn)為，引力實(shí)際上只是人們看到的一種客觀現(xiàn)象，而這些現(xiàn)象的本質(zhì)是來(lái)自宇宙大爆炸后的新粒子膨脹力。一直以來(lái)，人們習(xí)慣從引力的角度去看待宇宙中的各種現(xiàn)象，形成了一種固定的世界觀。正交碰撞理論指出，人們只需要從引力（被動(dòng)）世界觀轉(zhuǎn)換為膨脹力（主動(dòng)）世界觀，許多困擾科學(xué)家的問(wèn)題可能就會(huì)迎刃而解，也不再需要借助暗物質(zhì)和暗能量的設(shè)想來(lái)解釋宇宙加速膨脹的觀測(cè)事實(shí)。人類(lèi)文明進(jìn)程中已經(jīng)經(jīng)歷過(guò)從“地心說(shuō)”到“日心說(shuō)”的世界觀轉(zhuǎn)變，再次進(jìn)行世界觀的轉(zhuǎn)變也并非不可接受。

宇宙萬(wàn)象經(jīng)歷了一個(gè)生成、發(fā)展和消亡的生命過(guò)程，一種新現(xiàn)象的出現(xiàn)是相互作用的結(jié)果。我們現(xiàn)在的宇宙及其膨脹現(xiàn)象的誕生是兩個(gè)物質(zhì)正交碰撞的產(chǎn)物。正交碰撞的前后意味著，舊物質(zhì)碰撞的質(zhì)能（質(zhì)量與能量的乘積）完全轉(zhuǎn)變成了新物質(zhì)的質(zhì)能。碰撞前后的質(zhì)能是等量的，但質(zhì)量和能量是不等量的。碰撞前的質(zhì)能轉(zhuǎn)化成了碰撞后的新物態(tài)，其中包含大量的新粒子加速運(yùn)動(dòng)，而新粒子的質(zhì)量很小。正交碰撞是新舊事物或現(xiàn)象的生死瞬間過(guò)程，碰撞前后屬于兩個(gè)完全不同的陰陽(yáng)世界，信息是不交換的。正交碰撞也涉及哲學(xué)的理念。

現(xiàn)實(shí)世界中，所有物體或粒子的運(yùn)動(dòng)速度都是變化的，且不是直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，而是曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。從正交碰撞理論的視角來(lái)看，宇宙中所有粒子的加速度運(yùn)動(dòng)都可以分解為徑向加速度和切向加速度，分別對(duì)應(yīng)徑向膨脹力和切向向心力。地心引力就是徑向膨脹力，而地球自轉(zhuǎn)偏向力和繞轉(zhuǎn)太陽(yáng)的變速運(yùn)動(dòng)是切向向心力的組成部分?，F(xiàn)代宇宙粒子的膨脹力和向心力是大爆炸后留給它的永恒記憶和遺產(chǎn)。物體與物體或粒子與粒子之間的碰撞是兩個(gè)分量力之間的碰撞。

在宇宙大爆炸之后，產(chǎn)生的新粒子處于加速度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這種運(yùn)動(dòng)持續(xù)至今，形成了現(xiàn)代宇宙的持續(xù)性加速度膨脹。在宇宙大爆炸之后的一段時(shí)間里，新粒子是有目標(biāo)地分股加速運(yùn)動(dòng)的。例如，有一股粒子的加速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)是太陽(yáng)中心，另外相鄰兩股粒子的加速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)分別是地球中心和月球中心。分股粒子在兩個(gè)分量加速度下最終形成了太陽(yáng)、地球和月球，以及它們的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)。在更大的尺度上，銀河系的所有恒星、行星、衛(wèi)星和小尺度天體都在向著銀河系中心加速邁進(jìn)，這一切都源于宇宙大爆炸后粒子的有目標(biāo)趨向運(yùn)動(dòng)。

現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展至今，雖取得了眾多輝煌成就，但也面臨著諸多危機(jī)，其中引力理論作為物理學(xué)的重要基石，面臨的挑戰(zhàn)尤為突出。不僅是引力理論，現(xiàn)代物理學(xué)的大多數(shù)內(nèi)容都是基于定律和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)關(guān)系建立起來(lái)的。這些定律和統(tǒng)計(jì)關(guān)系雖能夠?qū)υS多物理現(xiàn)象進(jìn)行描述和預(yù)測(cè)，但幾乎沒(méi)有給出萬(wàn)物現(xiàn)象背后的物理本質(zhì)。即使是具有獨(dú)特幾何數(shù)學(xué)關(guān)系的廣義相對(duì)論，也未能完全揭示引力的本質(zhì)。

因此，尋找一種能夠統(tǒng)一描述現(xiàn)代宇宙中各種物理現(xiàn)象、揭示萬(wàn)物物理本質(zhì)的理論，成為了當(dāng)今科學(xué)界的重要使命。或許，對(duì)暗能量與哈勃常數(shù)危機(jī)的深入研究，以及像正交碰撞理論這樣的新理論探索，將為我們開(kāi)啟一扇通往全新物理學(xué)世界的大門(mén)，引領(lǐng)我們逐步揭開(kāi)宇宙的神秘面紗，實(shí)現(xiàn)對(duì)宇宙更深刻、更全面的認(rèn)識(shí)。

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