真空能量是怎么产生的?和暗能量有关系吗?

讲科学堂


按照经典物理学对真空的解释,真空是无物质无能量的虚空。因此,真空能量(严格说叫“真空零点能”)这个词语本身是不能谈论的,除非我们讨论量子物理学。

一般来说,谈论真空零点能,就必须要讨论真空的定义。题主能不能给出现代物理学上的真空定义吗?如果不能,那么就请题主不要轻易去讨论真空以及真空零点能,因为真空比题主想象得要复杂得多。经典物理对真空的定义过于理想化,甚至就不是客观真空的准确描述。按照量子物理学的定义,真空是一种粒子状态,换句话说,真空本身就得理解为物质场的一种特殊情况。我们把粒子数本征值为零(即没有粒子的状态)的量子态叫“真空态”。

很明显,量子物理学定义的真空和经典物理里的真空意义不同。在经典物理学里,真空就是绝对虚空,什么都没有。但是量子物理学里的真空依赖于粒子数的(具体说是依赖于粒子数算符)。如果不考虑别的,单就考虑纯粹的量子力学,那么真空的能量应该等于粒子体系的基态能量,而量子力学告诉我们,哪怕是最简单的谐振子模型,其基态能量都不为零。这就导致真空零点能一定不为零!但是这个能量相比于我们观测的粒子体系本身能量要小得多,因为一般情况下处于一定激发态的体系其粒子数目是巨大的,而且能量也是很高的,真空零点能就会被粒子激发态能量所掩盖,以致于我们无法察觉。

由于不同的物质场其基态能量是不同的,这就意味着真空零点能存在涨落,这种涨落无法消除,以致于真空一定具有能量!真空零点能的来源是“真空涨落”——真空里存在大量虚粒子——无法观测到的粒子叫虚粒子,其存在性不影响前面粒子数算符的物理意义——的散射,这些粒子在量子场论里叫“散射振幅的内线粒子”,它们没有任何直接观测性,只能通过一些间接方式影响外界。

最后讨论一下暗能量和真空零点能的关系。在暗能量被提出来不久,就有人企图真空零点能来解释暗能量。但是结果却令人大跌眼镜!因为根据现有的物理理论,算出来的结果奇怪得不要不要的——真空零点能和暗能量之间差了近100个数量级(10的100次方),如果真空零点能就是暗能量,那么就不得不面对一个“精细调节”的困境。这种困境往往预示着旧理论是错误的,需要改进它们。当然,现在一般认为,将真空零点能当成暗能量,这个假设是错的!暗能量要做别的解释。有的人提出暗能量是一种类似于万有引力一样的相互作用,但是为什么暗能量只在宇观层面才有显现呢?不要忘了,万有引力可是在地球上就能表现出其巨大的威力。总之,暗能量之谜或许比真空零点能还要复杂,一切拭目以待吧!


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