为什么很小的空白空间是一个如此大的谜团

事实证明,如果不涉及多元宇宙理论,很难解释空空间中包含的能量。 但是物理学家至少还有另外一种研究方法。





从逻辑上讲,我们的宇宙只是无限起泡的宇宙中的一个随机气泡,这是自相矛盾的想法,逻辑上是乍看之下最自然的自然特征:空的空间。 具体来说,多元假设是从空空间中包含的极少量能量中产生的,这些能量称为真空能量,暗能量或宇宙常数。 每立方米的空白空间所包含的能量足以使灯泡点亮仅11万亿分之一秒。 “就像喉咙里的骨头一样,”诺贝尔奖获得者史蒂芬·温伯格Stephen Weinberg)曾描述过一个问题,由于存在与之相关的所有领域 ,在真空中应该至少有1万亿亿亿亿亿亿倍的能量物质和相互作用。 但是不知何故,这些领域的所有影响几乎被相互摧毁,并获得了宁静的和平。 为什么空白空间这么空?

尽管我们不知道这个问题的答案-臭名昭著的“ 宇宙常数问题 ”-我们生存的极端真空空虚似乎是必要的。 在一个充满引力排斥能量的宇宙中,空间膨胀得太快而无法形成星系或行星等结构。 这样一个经过微调的系统表明,可以存在许多宇宙,并且每个宇宙都可以拥有自己的真空能,并且我们生活在一个极低的宇宙中,因为我们无法在其他宇宙中出现。

一些学者对“ 人类学原理 ”的重言式不屑一顾,并且不赞成多元宇宙论的不可验证性。 即使是那些不反对该理论的人,也希望对宇宙常数问题有其他解决方案。 但是,没有多元宇宙几乎是不可能解决的。 马里兰大学的理论物理学家拉曼·桑德拉姆(Raman Sandram)说:“暗能量问题是如此困难和不便,以至于人们尚未找到一种或两种解决方案。”

要了解为什么会发生这种情况,请考虑真空的能量是多少。 爱因斯坦的广义相对论指出,物质和能量告诉时空如何弯曲,时空的曲率告诉物质和能量如何移动。 从方程式中可以自动得出时空具有自身能量的能力-当不再存在时,便会保留一个恒定的量,爱因斯坦称之为宇宙常数。 几十年来,鉴于宇宙的膨胀率相当恒定,宇宙学家一直假设其值为零,并思考为什么会这样。 但是在1998年,天文学家发现空间的膨胀实际上正在逐渐加速,这意味着存在渗透到所有空间的排斥能量。



但是,这种真空能量的假定密度与量子场论关于空空间的说法相矛盾。 当代表场激发的粒子不移动时,则认为量子场为空。 但是由于不确定性原理,量子场的状态永远不会确切知道,因此能量不能精确等于零。 想象一下,量子场由位于空间中每个点的小弹簧组成。 弹簧不断摆动,因为它们总是从最松弛的状态拉伸到不确定的距离。 它们总是被轻微压缩或轻微拉伸,因此总是移动,这意味着它们具有能量。 这称为零场能量 。 在相互作用场中,零能量为正,在物质场中为-负,这些能量参与真空的总能量。

真空的总能量应大约等于最大贡献的总和。 但是,观测到的宇宙膨胀率表明该值比零场能量的某些贡献小60-120个数量级,就好像所有不同的正负项将相互抵消一样。 但是,出于两个原因,提出一种物理机制来实现这种对齐是极其困难的。

首先,真空能仅在重力作用下起作用,因此,为了减小真空能,必须采用重力作用机制。 但是在宇宙诞生的头一刻,当这种机制能够起作用时,它是如此之小,以至于与物质和辐射量相比,其所有真空能都可以忽略不计。 真空能量的引力效应将在其他所有事物的引力之前消失。 物理学家拉斐尔·布索(Rafael Busso)在2007年写道:“这是解决宇宙常数问题的最大困难之一。”他写道,重力反馈机制可以在早期宇宙的条件下微调真空能,可以粗略地与以暴风雨速度飞行的飞机进行比较。精确到原子尺寸。”

使情况复杂化的是,量子场论的计算表明,在大爆炸之后不久,由于冷却宇宙中的相变,真空能会改变值。 结果,出现了一个问题,该假设机制在改变之前或之后都起作用,该假设机制调整了真空能量。 并且该机制如何知道这些效应能如此精确地补偿它们有多大?

到目前为止,这些障碍阻碍了试图解释微小空间的重量,而不是屈服于多元宇宙的尝试。 但是最近,一些研究人员开始研究另一种选择:如果宇宙没有从无到有出现,而是在经历了先前的压缩后反弹 ,那么在遥远的过去压缩的宇宙应该是巨大的,而真空能应该主导了它。 也许那时是某种重力机制会影响真空能的丰度,随着时间的流逝,自然会消散它。 这个想法激发了物理学家彼得·格雷厄姆,大卫·卡普兰和萨吉特·拉金德兰[彼得·格雷厄姆,大卫·卡普兰,苏吉耶·拉杰德兰]创造了一种新的宇宙回弹模型 ,尽管他们尚未确切地表明真空散射在收缩的宇宙中应该如何工作。

在回应这封信时,布索称这种方法“是非常值得的尝试”,并且是“针对严重问题的明智和诚实的斗争。” 但他补充说,主要问题仍然存在于模型中,“为了填补这些漏洞并使想法行之有效,必须克服的技术障碍似乎相当严重。 整个设计已经很像Goldberg机器 ,并且充其量来说,充其量将来甚至会变得更加混乱。” 他和多元宇宙的其他支持者认为,与之相比,他们的答案选项看起来更简单。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN411893/


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