‘虚无’的本质：理解真空灾难
老胡说科学2019-06-29 11:43
我们经常认为外层空间是一个没有尽头的真空，偶尔充满了星系。我们没有意识到的是，离开我们的眼睛，这个真空就会活跃起来。为了了解在我们背后的真空中到底发生了什么，我们必须从研究空间本身开始。
那么什么是空间呢？量子场论告诉我们，空间是由基本量子场组成的，构成我们宇宙的每一个粒子都有一个独立的场。电子、夸克、中微子和其他基本粒子只是能量不同的场的振荡。具体来说，它们有量子能量，作为基准能量的倍数存在。
你可以把它想象成一个带能级的梯子。阶梯上的每一个横档都代表着那个量子态中额外的一个粒子的存在。梯子的底部是没有能量的地方，也就是说没有粒子。这就是所谓的真空状态。
但是我们会看到，我们实际上不可能有零能量。相反，量子场是随机振动的。有时这产生足够的能量，形成粒子从表面上看什么都没有！由量子场涨落产生的粒子称为虚粒子。真空中充满了这些虚拟粒子或“场中的摆动”。
但这里有一个陷阱：这些粒子由粒子对和反粒子对组成。他们只活了很短的一段时间，直到他们互相毁灭，出现和消失。粒子的能量越高，它存在的时间就越短。
虚粒子听起来太抽象，我来解释一下：根据定义，这些难以捉摸的粒子只有在我们不注意的时候才会存在，但它们的存在可以在整个宇宙中感觉到。1948年，亨德里克·卡西米尔提出了一个观察这些虚拟粒子的巧妙想法。
卡西米尔效应
让我们想象两个导电板在一定距离上连在一起。在这两块板之间，只允许那些波长与间隙的整数倍相匹配的虚光子存在。有点像一个特定长度的风琴管只与特定音高的波共振。
只有特定的光子才能存在于两个板块之间。与所有类型的虚光子都能存在的外部相比，这减少了板块之间的真空能量。能量的差异导致了压力差，并将两个板块推得更近。
外真空能>内真空能
1996年测量了这种效应，证明了真空能量是真实存在的！所以我们已经看到了对虚拟粒子证明的真实测量。我们也可以通过海森堡的不确定性原理从逻辑上推导出来。
海森堡的不确定性原理
这个原理告诉我们，我们不能100%确定一个粒子在某一时刻的动量和位置。如果有“完全静止”我们就会有动量为零的固定粒子，这意味着我们知道位置和动量。这不可能的!
相反，这个固定位置的粒子将是许多可能动量的量子模糊。这加起来就是一个实际的平均动能它形成了零点能量。任何“空空间”都包含这个零点能量。
我们也可以看看没有粒子的情况。海森堡测不准原理的另一种变化告诉我们，我们不能同时定义能量和时间。如果我们试着定义我们所知道的量子振荡器的时间，我们不能确定在那个时间窗处能量为零！同样，量子场将是一个模糊的能量，最有可能的能量状态是零能量真空状态。虚粒子是存在的。但那又怎样?
虚拟粒子的含义
嗯，这些看起来微不足道的粒子对我们今天所知的宇宙产生了相当大的影响。它们不仅解释了“粒子-粒子相互作用”，而且可以追溯到宇宙本身的起源!
宇宙的创造
让我们回到最开始，回到大爆炸。但不要担心，很快就会开始稳步扩张。微小的“点”持续最小的一秒钟，然后在更短的时间内膨胀达到10^26倍。突然之间，一切都停止了。宇宙继续扩张，但速度正在下降。快进到大约60亿年，宇宙的扩张速度再次开始增加。
现在让我们把这个和量子场联系起来，不能静止。通常，这些振荡只影响亚原子过程。但回到宇宙膨胀如此之快的时候，这些微小的波动就膨胀到了可观测宇宙的规模!如果没有真空能量，物质的分布很可能是完全均匀的。
如果没有这些虚无的东西，我们的宇宙可能真的什么都不包含，令人难以置信的对吧?但是，虚拟粒子不仅塑造了我们宇宙的起源。它们继续通过影响巨大的黑洞来改变宇宙。
黑洞
虚拟粒子导致黑洞，宇宙的真空吸尘器，实际上会蒸发。通常，当一个虚拟粒子突然出现时，粒子和它的反粒子会存在一会儿，然后彼此湮灭。但当这种情况发生在黑洞视界附近时，一个粒子可能落入黑洞，而另一个粒子则进入太空。这种逃逸粒子导致黑洞蒸发。这个蒸发过程被称为霍金辐射。
基本上，由于时空的曲率，虚粒子被推进成为实粒子。黑洞需要放弃它的一部分质量来产生这种能量，本质上，蒸发。但别担心!这并不意味着我们所有的黑洞都会消失。黑洞消失成虚无需要相当长的时间。
霍金辐射所以我们已经看到虚拟粒子促成了可观测宇宙的形成和黑洞的蒸发。零点能量本身呢?这种能量实际上什么也不产生。我们能否利用这种“自由能量”最终控制宇宙?
能量过剩?
基于量子场理论,电磁场的零点能量密度估计约为10尔格/厘米,一个非常高的能量！这种高得离谱的能量促使许多伪科学家用它来计算“零点能量机器”，甚至把它当作操纵扭曲场和打开虫洞的负能量。
事实上，热力学第二定律告诉我们，只有当熵有差异时，我们才能利用能量。我们的能量量子场几乎在任何地方都是一样的，这意味着我们处于平衡状态。对不起伪科学家！看来你得想办法穿越时空了!这种真空能量的计算源自量子场论，可以说是物理学中最成功的理论之一。但是从实际的真空能量测量来看，有些东西并不符合逻辑。真空能量的理论值和实测值之间的这种不一致可能是物理学中最大的未解之谜之一，被称为“真空灾难”。
真空灾难
真空能量的测量值是10倍低于预测由量子场理论！让我们仔细看看虚拟光子的情况。
根据量子场论（QFT）和海森堡测不准原理，任何场的振荡都必须是普朗克常数*振荡频率的一半。这个数字很小。但是考虑到它存在于每个频率模式中，它的累加速度非常快。事实上，它会趋于无穷。如果我们把光子的截止频率，光子能量等于普朗克能量，得到总能量密度高达10尔格/厘米。但是有了这么大的能量，我们应该能看到巨大的引力效应。宇宙会迅速膨胀。
宇宙在膨胀，只是速度没有那么快。如果真空能量是宇宙的扩张的原因,然后真空能量的绝对密度将仅10^(-8)尔格/厘米，比理论值小!我们只能寄希望于科学的进步能找到解决这场灾难的办法。在此之前，这个问题将继续困扰着物理学家，使他们无法对我们周围的宇宙有更深刻的理解。
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