在我们右翼评论员对标题过于兴奋之前，我应该指出，“w”是小写的，绝不是读作“dubya”。相反，这篇帖子完全是关于暗能量的。明天早上，我的博士生 Antonio De Felice 将要答辩他的论文。如果一切顺利，他将在中午过后不久成为 De Felice 博士，然后我会带他去 Mrs. Miggins' Pie Shop 享用一顿丰盛的午餐，或者随便去一家像样的餐厅（如果你不明白上一句话的意思，请立即出去租看完整的《Blackadder》系列）。雪城大学的宇宙学研究小组已经提前为 Antonio 庆祝了，因为他很快就要离开这里了（只要我们明天顺利通过他的论文），去度个短假，然后前往英国萨塞克斯大学攻读博士后。前几天晚上我们一起喝了几杯啤酒、吃了点零食（这里毫不吝啬开销），大家都很尽兴。Antonio 的论文包含他在雪城大学期间完成的几项研究工作。我想在此勾勒出其中一个想法。正如 Sean 和我本人多次讨论过的，宇宙观测到的加速是当今物理学家面临的最令人费解的问题之一。包括宇宙微波背景和大规模结构在内的许多不同的宇宙学观测都表明，在广义相对论的框架内，宇宙中的大部分质能是以一种分布均匀、聚集度可忽略不计的成分的形式存在的，这种成分被称为暗能量。如果包括对 Ia 型超新星光变曲线的观测结果，那么人们就必须以很高的置信度得出结论，这种暗能量正在导致宇宙的膨胀在现阶段加速——即宇宙加速。这无疑是一种奇怪的现象，对理论家来说是一个巨大的障碍。尽管如此，撇开所需的荒谬的精细调谐不谈，暗能量可能是什么，有一些候选者；其中最知名的就是爱因斯坦的宇宙学常数。尽管很难想象，但对理论家来说，情况可能更糟。有时，用一个被称为状态方程参数，w（记住，不是“dubya”）的参数来参数化暗能量会很方便。该参数告诉我们，如果我们把暗能量视为一种完美的流体，其压力与流体的能量密度之间的关系。目前的观测界限将 w 置于（非常粗略地，我不是在引用精确数字）-0.8 到 -1.2 的范围内（需要注意的是，对于任何 w<-1/3 的情况，都会发生加速）。我接下来想关注的是 w 可能小于 -1 的可能性。这个可能性让物理学家们不寒而栗，因为广义相对论中的各种稳定性证明要求所谓的能量条件，而这些能量条件都被 w<-1 的能量-动量源所违反。因此，这类暗能量存在不稳定的风险。事实上，正如 Sean、他的学生 Mark Hoffman 和我（以及其他人）所证明的那样，满足 w<-1 的特定模型在大多数情况下都会出现灾难性的衰变。鉴于这种情况，Sean、Antonio 和我提出了一个问题：是否存在一种方法，可以让我们在所有能量-动量源都遵守合理的能量条件（即任何物质的状态方程参数都不小于 -1）的理论中，推断出 w<-1？我们的想法是，在对爱因斯坦引力有所不同的理论中，研究人们如何解释数据。这个概念非常简单。爱因斯坦的宇宙学方程将宇宙的膨胀速率及其时间导数与宇宙能量预算中各种成分的数量和状态方程联系起来。如果为了简单起见，我们只讨论恒定的状态方程和近似瞬时的测量，那么这些方程可以重写为将暗能量的状态方程表示为不同类型物质（例如暗物质和暗能量）的数量以及宇宙膨胀速率的导数的函数。这就是从数据中推断 w 的方法。现在想象一下，在远距离引力与爱因斯坦的理论略有不同。你仍然会写下相同的关系式来从数据中提取 w，但是，由于推导该关系式的原始方法不再有效，因此提取的值通常只是膨胀速率和其他变量的函数，最重要的是，它不代表任何物质成分的状态方程参数。因此，在某些情况下，你可能从这个关系式中推断出 w<-1，而没有任何不稳定的物质存在！到目前为止，这只是一个笼统的说法。Antonio 和他的类似欧比旺的导师考虑的是，这在一种简单的非爱因斯坦引力模型——带有势的Brans-Dicke 理论——中是如何运作的。这里不是详细讨论这些理论的地方；现在，只需将它们看作是牛顿常数被一个场取代的理论，这样，在宇宙学尺度上，它可能随时间变化。这个场的动力学在 w 与各种可观测的宇宙学参数之间的关系中变得很重要。因此，我们的部分工作涉及我们对场可能的势进行探索，并确定在今天要使关系式产生 w<-1 需要什么。显然，如果满足状态方程参数数据是唯一要达到的目标，这并不难做到。不幸的是，大自然并非如此仁慈。每当你修改引力时，都可能遇到各种麻烦。例如，来自太阳系内测量的，如对远离地球的航天器通信延迟的精确测量，对这些理论存在很强的宇宙学限制。事实上，在过去几年里，由于对卡西尼号探测器（你以为它只对观察土星和泰坦有用吗？）通信的测量，这些限制收紧了一个数量级。将这些限制应用于我们构造的势类型，会产生一些看起来相当奇怪的结果。关键是，你构造的任何势，如果旨在实现一个可测量地小于 -1 的 w 值，并且同时满足所有其他约束，那么它将是极其精细调谐的。暗能量存在两个众所周知的精细调谐问题。第一个是该成分相关的能量尺度极其微小（比普朗克尺度小 120 个数量级）。第二个是巧合问题——为什么暗能量只在宇宙历史的近期才开始占据主导地位。Sean、Antonio 和我所表明的是，如果 Brans-Dicke 理论（带势）要解释观测到的 w<-1，那么存在一个第三个精细调谐——势中一个显著的特征（本质上是一个局部最大值），恰好发生在场处于当前宇宙时代的那个点。显然，我们觉得这不太令人信服，这对这类理论来说是一个打击。尽管如此，重要的是要强调，对引力在宇宙尺度上进行修改的可能性，可能会使我们对宇宙学数据的解释变得复杂。
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