科學人雜誌
物理學

宇宙常數無定論

2021-04-01 莫斯柯維茨(Clara Moskowitz)
這個常數源自愛因斯坦的數學手段,因宇宙膨脹而剔除, 然後又再度引入。如今物理學家困惑的是:宇宙常數為什麼這麼小?

重點提要

  1. 在量子理論裡,時空中任何一處總有粒子與反粒子成對創生後相互湮滅,這些粒子倏忽生滅即是「真空能量」的效應。
  2. 真空能量會產生重力場,決定了宇宙常數的數值。然而真空能量的測量值與理論預測值的差異極大,此差異稱為宇宙常數問題。
  3. 物理學家從實驗與理論分頭進行,試圖釐清真空能量、宇宙常數與暗能量(造成宇宙加速膨脹的主因)的關聯,以解答此問題。
每一寸虛無,都蘊含某些東西。假如你細看幾乎空無一物的空間,並剔除所有行星、恆星和星系,可能會認為這是純粹的真空,但其實不然。你會發現一個動態的場域:粒子在其中火花四射,倏忽即逝。量子力學適用於尺度無限小的世界,虛無並不存在。時空中任何一處,能量不可能完全為零,總有起伏餘地,而「虛粒子」(virtual particle)便在此處登場:一個粒子與其反粒子成對創生,隨即相互湮滅。這聽起來很奇怪,但物理學家已從實驗觀察到虛粒子的真實效應。其中一項觀測結果可以證明虛粒子存在:當粒子加速器首次測量Z玻色子的質量時,其結果與理論預測有些偏差,因為Z玻色子有時會變成一個虛的頂夸克。所有這些粒子倏忽生滅的效應,可說是「真空能量」(vacuum energy)的悶響低鳴。這種能量在宇宙中不斷向外推擠,導致空間持續擴張。此過程最有可能用來解釋暗能量,說明宇宙為何無法保持靜態或以穩定速率膨脹,反倒是持續向外加速擴展。真空能量的問題在於「數量級」。當物理學家最初思索這概念時,計算出這種能量應該非常巨大,造成宇宙劇烈迅速擴張,恆星和星系根本無法形成。事實顯然並非如此,宇宙中的真空能量非常微小:比量子力學的計算結...

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