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宇宙学常数问题

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宇宙学常数问题是当今物理学界有待解决的重要问题之一。根据广义相对论,宇宙真空里蕴藏的能量会产生引力场,真空能量密度 与宇宙学常数 之间的关系为 。真空能量密度的计算是物理学尚未解决的一个大问题。最简单算法是总和所有已知量子场贡献出的零点能,但这理论结果超过天文观测值120个数量级,被惊叹为“物理史上最差劲的理论预测”!该问题称为宇宙学常数问题。为什么从真空能量密度计算出的宇宙学常数,会与天文观测值相差这么大?到底是甚么物理机制抵销这超大数值?解决这一系列问题可能要用到量子引力理论[1]:186-187

背景

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1916年,瓦尔特·能斯特最先发现与提出真空灾变问题[2],并且疑问这么特大的真空能量会对重力效应造成的结果[3][4]

1967年由俄罗斯宇宙学家雅可夫·泽尔多维奇提出宇宙学常数问题。

虚粒子对质子或原子之影响

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根据量子力学,我们有可能算出氢原子附近间歇生灭的所有虚粒子,对氢原子频谱所造成之影响。对于比较观测结果的准确性,更可以到达非常的高度。

当中的计算,其实就是计算质子或原子的总能量,再计算虚粒子在空无空间的总能量,两者相减。两种能量在形式上皆为无穷,然而两者相减,按狄拉克的规则却可以得出一个有限的数值。

虚粒子对空无空间之影响

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然而,若想只单独计算虚粒子对空无空间之影响,则无任何可减之物,求出的结果,则为无穷。若索其根源,海森堡测不准原理指出间歇生灭的虚粒子消失得越快,其所带有之能量则越大。因此若时间降低至几乎瞬间消失,粒子则可摧带几乎无穷之能量。若要排除无穷,第一个作法,则是引入截断,以普朗克时间作为虚粒子存在时间之下限。但即使如此,透过此方法计算所得之宇宙空无空间能量,竟然比宇宙学常数计算之观测结果高出120个数量级。两者的巨大差异,就是宇宙学常数问题

真空灾变

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航海家探测卫星测量到的数据所推断出的真空能量密度上限为1014 GeV/m3,而从量子场论估算出的零点能密度为10121 GeV/m3。两个数值难以置信地相差了107个数量级[5]宇宙学里,这差异称为真空灾变(英语:vacuum catastrophe)。[6]物理史上从未见到这么大的差距,物理学者认为这是当今物理理论的重大瑕疵。

1916年,瓦尔特·能斯特最先发现与提出真空灾变问题。[2]并且疑问这么特大的真空能量会对重力效应造成的结果[3][7]

这问题可能对于引力与量子理论的统一给出很有价值的线索,因此有很多理论物理学者致力于这方面的研究。[6]

问题及解决方向

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故此,必须要将理论值下调120个数量级以至与观测值一致,方能作出一个合理的解释。我们必须要降低那个从空无空间虚粒子能量轻率地计算的估值,向下修正到一个合理的上限。当中牵涉到2个非常大的正数相减,在头120个位彼此相消,而在第121个位留下非零数值。如此精确程度,在科学界并无先例可言。

参见

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参考文献

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  1. ^ MP Hobson, GP Efstathiou & AN Lasenby. General Relativity: An introduction for physicists Reprint. Cambridge University Press. 2006. ISBN 9780521829519. 
  2. ^ 2.0 2.1 W Nernst. Über einen Versuch von quantentheoretischen Betrachtungen zur Annahme stetiger Energieänderungen zurückzukehren. Verhandl. der Deutschen Phys. Gesellschaften. 1916, 18: 83.  (德文)
  3. ^ 3.0 3.1 TM Nieuwenhuizen. Beyond the quantum. World Scientific. 2007: 250. ISBN 9812771174. 
  4. ^ SE Rugh, H Zinkernagel. The quantum vacuum and the cosmological constant problem. Studies in History and Philosophy of Science Part B. 2002, 33: 663–705 [2016-09-17]. doi:10.1016/S1355-2198(02)00033-3. (原始内容存档于2010-11-30). 
  5. ^ SM Dutra. Cavity Quantum Electronics. John Wiley & Sons. 2005: 63. ISBN 0471713473. 
  6. ^ 6.0 6.1 Adler, Ronald; et al. Vacuum catastrophe: An elementary exposition of the cosmological constant problem (PDF). Am. J. Phys. 1995, 63 (7) [2013-11-12]. (原始内容 (PDF)存档于2012-04-16). 
  7. ^ SE Rugh, H Zinkernagel. The quantum vacuum and the cosmological constant problem. Studies in History and Philosophy of Science Part B. 2002, 33: 663–705 [2011-06-05]. doi:10.1016/S1355-2198(02)00033-3. (原始内容存档于2010-11-30).