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解开暗能量之谜的新方法

祁谦才
导读 暗能量的背后是什么,是什么将其与阿尔伯特·爱因斯坦引入的宇宙常数联系起来?卢森堡大学的两位物理学家指出了回答这些开放物理学问题的方...

暗能量的背后是什么,是什么将其与阿尔伯特·爱因斯坦引入的宇宙常数联系起来?卢森堡大学的两位物理学家指出了回答这些开放物理学问题的方法。

宇宙有许多奇异的特性,这些特性很难用日常经验来理解。例如,我们所知道的由原子、分子和其他粒子组成的物质,显然只占宇宙能量密度的一小部分。最大的贡献,超过三分之二,来自“暗能量” - 一种假设的能量形式,其背景物理学家仍然感到困惑。

此外,宇宙不仅在稳步膨胀,而且以越来越快的速度膨胀。这两个特征似乎是相互关联的,因为暗能量也被认为是加速膨胀的驱动力。此外,它可以重新统一两个强大的物理思想流派:量子场论和阿尔伯特·爱因斯坦开发的广义相对论。但有一个问题:到目前为止,计算和观察远未匹配。现在,来自卢森堡的两位研究人员在《物理评论快报》发表的一篇论文中展示了解决这个100年历史的谜语的方法。

真空中虚拟粒子的轨迹

“暗能量来自量子场论的公式,”卢森堡大学物理与材料科学系理论固体物理学教授Alexandre Tkatchenko教授解释说。该理论的发展是为了将量子力学和广义相对论结合在一起,它们在基本方面是不相容的。

它的基本特征是:与量子力学相反,该理论不仅将粒子,而且将无物质场视为量子对象。“在这个框架中,许多研究人员将暗能量视为所谓的真空能量的表达,”Tkatchenko说:一个物理量,在生动的图像中,是由成对的粒子及其反粒子 - 如电子和正电子 - 在实际上是空的空间中不断出现引起的。

物理学家将虚拟粒子及其量子场的来来去去称为真空或零点涨落。当粒子对立即再次消失在虚无中时,它们会留下一定的能量。“这种真空能量在广义相对论中也有意义,”卢森堡科学家指出。“它表现在爱因斯坦出于数学原因插入他的方程中的宇宙学常数。

巨大的不匹配

与只能从量子场论公式推导出的暗能量不同,宇宙学常数可以直接通过天体物理实验来确定。哈勃太空望远镜和普朗克太空任务的测量已经为基本物理量提供了接近和可靠的值。

另一方面,基于量子场论的暗能量计算得出的结果对应于宇宙学常数的值,该值高达10120倍数更大——这是一个巨大的差异——尽管在当今盛行的物理学家的世界观中,这两个值应该是相等的。相反,发现的差异被称为“宇宙学常数之谜”。“这无疑是现代科学中最大的不一致之处之一,”亚历山大·特卡琴科说。

非常规的解释方式

他与卢森堡的研究同事迪米特里·费多罗夫(Dimitry Fedorov)博士一起,为这个已经开放了几十年的难题带来了解决方案,又向前迈进了一大步。在他们最近发表的一篇理论论文中,两位卢森堡研究人员提出了对暗能量的新解释。它假设零点波动导致真空的极化率,这既可以测量也可以计算。

“在带有电荷的虚拟粒子对中,它来自这些粒子在其极短存在期间相互施加的电动力,”Tkatchenko解释说。物理学家将此称为自我相互作用,这种粒子中的极化率是对其反应的特征。“它导致可以在新模型的帮助下确定的能量密度,”卢森堡科学家说。

他与他的研究同事费多罗夫一起开发了这个模型,并于2018年首次提出,最初用于描述原子特性,例如固体。由于几何特征很容易通过实验测量,因此极化率也可以通过这些分流来确定。

“我们将这个程序转移到真空中的过程中,”Fedorov解释说。为此,两位研究人员研究了电子和正电子的行为,他们根据量子场论的原理将它们视为场。这些场的波动也可以用平衡几何来表征,其值已经从实验中知道。

“我们将其插入模型的公式中,并以这种方式最终获得了真空极化的强度,”费多罗夫报告说。最后一步是量子力学计算电子和正电子之间自相互作用的能量密度。以这种方式获得的结果与宇宙学常数的测量值非常吻合:这意味着:“暗能量可以追溯到量子场自相互作用的能量密度,”亚历山大·特卡琴科强调说。

一致的值和可验证的预测

“因此,我们的工作提供了一种优雅和非常规的方法来解决宇宙常数之谜,”物理学家总结道。“此外,它提供了一个可验证的预测:即像电子和正电子这样的量子场确实具有很小但始终存在的极化。

卢森堡的两位研究人员说,这一发现也为未来在实验室中检测这种极化的实验指明了方向,他们现在希望将他们的模型应用于其他粒子 - 反粒子对。“我们的概念理念应该适用于任何领域,”Alexandre Tkatchenko强调说。他认为与迪米特里·费多罗夫一起获得的新结果是更好地理解暗能量的第一步,以及它与阿尔伯特·爱因斯坦的宇宙常数的联系。

Tkatchenko深信不疑:“最终,这也将揭示量子场论和广义相对论作为看待宇宙及其组成部分的两种方式交织在一起的方式。