真空能量是怎麼產生的?和暗能量有關係嗎?

講科學堂


按照經典物理學對真空的解釋,真空是無物質無能量的虛空。因此,真空能量(嚴格說叫“真空零點能”)這個詞語本身是不能談論的,除非我們討論量子物理學。

一般來說,談論真空零點能,就必須要討論真空的定義。題主能不能給出現代物理學上的真空定義嗎?如果不能,那麼就請題主不要輕易去討論真空以及真空零點能,因為真空比題主想象得要複雜得多。經典物理對真空的定義過於理想化,甚至就不是客觀真空的準確描述。按照量子物理學的定義,真空是一種粒子狀態,換句話說,真空本身就得理解為物質場的一種特殊情況。我們把粒子數本徵值為零(即沒有粒子的狀態)的量子態叫“真空態”。

很明顯,量子物理學定義的真空和經典物理裡的真空意義不同。在經典物理學裡,真空就是絕對虛空,什麼都沒有。但是量子物理學裡的真空依賴於粒子數的(具體說是依賴於粒子數算符)。如果不考慮別的,單就考慮純粹的量子力學,那麼真空的能量應該等於粒子體系的基態能量,而量子力學告訴我們,哪怕是最簡單的諧振子模型,其基態能量都不為零。這就導致真空零點能一定不為零!但是這個能量相比於我們觀測的粒子體系本身能量要小得多,因為一般情況下處於一定激發態的體系其粒子數目是巨大的,而且能量也是很高的,真空零點能就會被粒子激發態能量所掩蓋,以致於我們無法察覺。

由於不同的物質場其基態能量是不同的,這就意味著真空零點能存在漲落,這種漲落無法消除,以致於真空一定具有能量!真空零點能的來源是“真空漲落”——真空裡存在大量虛粒子——無法觀測到的粒子叫虛粒子,其存在性不影響前面粒子數算符的物理意義——的散射,這些粒子在量子場論裡叫“散射振幅的內線粒子”,它們沒有任何直接觀測性,只能通過一些間接方式影響外界。

最後討論一下暗能量和真空零點能的關係。在暗能量被提出來不久,就有人企圖真空零點能來解釋暗能量。但是結果卻令人大跌眼鏡!因為根據現有的物理理論,算出來的結果奇怪得不要不要的——真空零點能和暗能量之間差了近100個數量級(10的100次方),如果真空零點能就是暗能量,那麼就不得不面對一個“精細調節”的困境。這種困境往往預示著舊理論是錯誤的,需要改進它們。當然,現在一般認為,將真空零點能當成暗能量,這個假設是錯的!暗能量要做別的解釋。有的人提出暗能量是一種類似於萬有引力一樣的相互作用,但是為什麼暗能量只在宇觀層面才有顯現呢?不要忘了,萬有引力可是在地球上就能表現出其巨大的威力。總之,暗能量之謎或許比真空零點能還要複雜,一切拭目以待吧!


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