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宇宙學常數問題

未解決的物理學問題為什麼真空零點能造成了特大的宇宙學常數?是甚麼物理機制抵銷了它? Question mark2.svg

宇宙學常數問題是當今物理學界有待解決的重要問題之一。

根據廣義相對論,宇宙真空裏蘊藏的能量會產生引力場,真空能量密度 與宇宙學常數 之間的關係為 。怎樣計算真空能量密度是物理學尚未解決的一個大問題。最簡單算法總和所有已知量子場貢獻出的零點能,但這理論結果超過天文觀測值120個數量級,被驚歎為「物理史上最差勁的理論預測」!這問題稱為宇宙學常數問題。為什麼從真空能量密度計算出的宇宙學常數,會與天文觀測值相差這麼大?到底是甚麼物理機制抵銷這超大數值?解決這問題可能要用到量子引力理論[1]:186-187

背景编辑

1916年,瓦爾特·能斯特最先發現與提出真空災變問題[2],並且疑問這麼特大的真空能量會對重力效應造成的結果[3][4]

宇宙學常數問題,在1967年由俄羅斯宇宙學家雅可夫·泽尔多维奇提出。

虛粒子對質子或原子之影響编辑

根據量子力學,我們有可能算出氫原子附近間歇生滅的所有虛粒子,對氫原子頻譜所造成之影響。對於比較觀測結果的準確性,更可以到達非常的高度。

當中的計算,其實就是計算質子或原子的總能量,再計算虛粒子在空無空間的總能量,兩者相減。兩種能量在形式上皆為無窮,然而兩者相減,按狄拉克的規則卻可以得出一個有限的數值。

虛粒子對空無空間之影響编辑

然而,若想只單獨計算虛粒子對空無空間之影響,則無任何可減之物,求出的結果,則為無窮。若索其根源,海森堡測不準原理指出間歇生滅的虛粒子消失得越快,其所帶有之能量則越大。因此若時間降低至幾乎瞬間消失,粒子則可摧帶幾乎無窮之能量。若要排除無窮,第一個作法,則是引入截断英语Cutoff_(physics),以普朗克時間作為虛粒子存在時間之下限。但即使如此,透過此方法計算所得之宇宙空無空間能量,竟然比宇宙學常數計算之觀測結果高出120個數量級。兩者的巨大差異,就是宇宙學常數問題

若空無空間能量大至如斯程度,空間的斥力足以將今日的地球轟散。即使在大霹靂之初,亦足以將萬物轟至四散,無法造成任何結構。

問題及解決方向编辑

故此,必須要將理論值下調120個數量級以至與觀測值一致,方能作出一個合理的解釋。我們必須要降低那個從空無空間虛粒子能量輕率地計算的估值,下修到一個合理的上限。當中牽涉到2個非常大的正數相減,在頭120個位彼此相消,而在第121個位留下非零數值。如此精確程度,在科學界並無先例可言。

參考條目编辑

參考文獻编辑

  1. ^ MP Hobson, GP Efstathiou & AN Lasenby. General Relativity: An introduction for physicists Reprint. Cambridge University Press. 2006. ISBN 9780521829519. 
  2. ^ W Nernst. Über einen Versuch von quantentheoretischen Betrachtungen zur Annahme stetiger Energieänderungen zurückzukehren. Verhandl. der Deutschen Phys. Gesellschaften. 1916, 18: 83.  (德文)
  3. ^ 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. doi:10.1016/S1355-2198(02)00033-3.