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宇宙学常数问题

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此条目介绍的是宇宙学常数问题，又称“真空灾变”。关于其他用法，请见“真空灾变”。
超越标准模型的物理学
由大型强子对撞机中的紧凑μ子线圈得到的希格斯玻色子产生时的景象。它是通过衰变为强子喷流的质子与电子的碰撞形成的。
标准模型
存在证据
理论探索
超对称
量子引力
实验验证
未解决的物理学问题：为什么真空的零点能造成了特大的宇宙学常数？是什么物理机制抵销了它？

宇宙学常数问题，或称真空灾变（英语：Vacuum catastrophe），是当今物理学界中待解决的谜团之一，是指理论与观察之间的一个巨大落差：根据量子场论的推算，真空中的零点能量应该非常庞大，但实际观测到的真空能量值却小得多，两者相差极大。由于真空能量值是计算宇宙学常数的一个关键值，若对真空能量的估算出现偏差，整个宇宙模型也会随之不同。[1]

虽然该能量的理论值依据不同的理论条件（例如普朗克能量上限）而有所变化，但科学家在计算后仍然发现两者之间的差距高达50到120个数量级。[2][3] 物理学界认为这漾的差异是科学史上理论与实验最严重的不符，[2]甚至有人称之为“物理学史上最差劲的理论预测”。[4]

背景

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早在 1916 年，科学家瓦尔特·能斯特就率先提出有关真空能量的一个基本问题：真空能量如果存在，应该会对重力产生影响。他推测这个能量值要不是零，就是非常接近零。[5][6][7]

到了 1926 年，物理学家威廉·楞次进一步指出，如果将当时所能观测到的最短波长（约为 λ ≈ 2 × 10−11 公分）的辐射转换为物质密度，并假设这些能量会影响宇宙的曲率，那么推算出来的真空能量密度会使整个可观测宇宙的半径小到甚至不及地球到月球的距离。[8][7]

随着量子场论从1940年代开始发展，到了1960年代，苏联物理学家雅科夫·泽尔多维奇开始探讨量子涨落对宇宙学常数的贡献。[9][10]根据量子力学，即便是完全空无一物的真空也应存在涨落现象，而在广义相对论中，这些涨落会表现为能量，进一步影响宇宙学常数。

但问题在于，根据这种理论计算出来的真空能量密度远远超出了实际观测到的宇宙学常数值，[11] 其差距甚至高达120至122个数量级。[12][13]后世的研究认为，若将洛伦兹变换纳入考量则这个差距可能会缩小一些，但依然有约60个数量级之多。[13][14]

到了1980年代，宇宙暴胀理论的出现使这个问题变得更加重要，因为宇宙膨胀的动力来源就是真空能量，而不同的真空能量值会导致完全不同的宇宙演化结果。若真空能量真的为零，就无法解释我们今天观测到的宇宙加速膨胀现象，这也与现今主流的ΛCDM模型不符。[1]

真空能量的计算调整

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科学家计算出的真空能量对宇宙常数的影响是正值，这是因为现有的真空具有负的量子压力，而在广义相对论中，负压力会造成一种类似排斥的重力效应（这里的压力可理解为量子动量穿过某个表面的通量）。

截断法

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简单来说，真空能量的估算方式是将所有已知的量子场进行总和，并考虑它们在基态之间的互动与自我作用。下一步则是设定一个“截断波长”，排除低于这个波长的部分，因为现有的理论在这个尺度以下可能不再适用或失效。

这也表示，真空能量与“场在当下真空状态中的互动”有关，因此在早期宇宙时这个能量值也会不同。例如在夸克时期以前电弱对称性尚未破坏，当时的真空能量就与现在就有明显差异。[13]

重整化

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在量子场论中，真空能量其实可以透过“重整化”来任意设定为某个值。这种作法把宇宙学常数当成一个基础物理常量，并不尝试用理论去预测或解释它。[15]

不过由于理论值与观测值相差极大，要让重整化后的数值符合观测结果，就必须极精确地调整这个常数。许多理论学家认为这种蓄意的调整方式只是忽视问题本身。[2]

估计值

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根据普朗克卫星团队在2015年的观测数据，目前宇宙的真空能量密度估计为：ρvac = 5.96×10−27 kg/m3。 [16][note 1]

若以几何化单位制表示则约为 2.5×10−47 GeV4。

相比之下，巴黎天体物理研究所的Jérôme Martin在2012年对理论真空能量的估计值为约108 GeV4，理论预测与实际观测之间的差距约55个数量级。[13]

问题及解决方向

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故此，必须要将理论值下调120个数量级以至与观测值一致，方能作出一个合理的解释。我们必须要降低那个从空无空间虚粒子能量轻率地计算的估值，向下修正到一个合理的上限。当中牵涉到2个非常大的正数相减，在头120个位彼此相消，而在第121个位留下非零数值。如此精确程度，在科学界并无先例可言。

参见

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脚注

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  1. ^ 根据哈勃常数和暗能量密度参数ΩΛ计算得出。

参考文献

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  1. ^ 1.0 1.1 Weinberg, Steven. The cosmological constant problem. Reviews of Modern Physics. 1989-01-01, 61 (1): 1–23. Bibcode:1989RvMP...61....1W. ISSN 0034-6861. S2CID 122259372. doi:10.1103/revmodphys.61.1. hdl:2152/61094 可免费查阅. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Adler, Ronald J.; Casey, Brendan; Jacob, Ovid C. Vacuum catastrophe: An elementary exposition of the cosmological constant problem. American Journal of Physics. 1995, 63 (7): 620–626. Bibcode:1995AmJPh..63..620A. ISSN 0002-9505. doi:10.1119/1.17850 可免费查阅. 
  3. ^ Bengochea, Gabriel R.; León, Gabriel; Okon, Elias; Sudarsky, Daniel. Can the quantum vacuum fluctuations really solve the cosmological constant problem?. The European Physical Journal C. 11 January 2020, 80 (18): 18 [21 October 2022]. Bibcode:2020EPJC...80...18B. S2CID 189762342. arXiv:1906.05406 可免费查阅. doi:10.1140/epjc/s10052-019-7554-1. 
  4. ^ MP Hobson, GP Efstathiou & AN Lasenby. General Relativity: An introduction for physicists Reprint. Cambridge University Press. 2006: 187. ISBN 978-0-521-82951-9. 
  5. ^ W Nernst. Über einen Versuch von quantentheoretischen Betrachtungen zur Annahme stetiger Energieänderungen zurückzukehren. Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. 1916, 18: 83–116 （德语）. 
  6. ^ H Kragh. Preludes to dark energy: Zero-point energy and vacuum speculations. 2011. arXiv:1111.4623 可免费查阅 [physics.hist-ph]. 
  7. ^ 7.0 7.1 H Kragh. Walther Nernst: grandfather of dark energy?. Astronomy & Geophysics. 2012, 53 (1): 1.24–1.26. Bibcode:2012A&G....53a..24K. doi:10.1111/j.1468-4004.2012.53124.x 可免费查阅 （英语）. 
  8. ^ W Lenz. "". Physikalische Zeitschrift. 1926, 27: 642–645 （德语）. 
  9. ^ Zel'Dovich, Ya. B. Cosmological Constant and Elementary Particles. JETP Letters. 1967, 6: 316–317 [2025-04-12]. （原始内容存档于2025-01-11）. 
  10. ^ Zel'dovich, Ya. B. The Cosmological Constant and the Theory of Elementary Particles. Soviet Physics Uspekhi. 31 March 1968, 11 (3): 381–393. doi:10.1070/PU1968v011n03ABEH003927. 
  11. ^ Cho, Adrian. A simple explanation of mysterious space-stretching 'dark energy?'. Science. 10 January 2017. doi:10.1126/science.aal0603. 
  12. ^ Weinberg, Steven. The cosmological constant problem. Reviews of Modern Physics. 1989-01-01, 61 (1): 1–23. Bibcode:1989RvMP...61....1W. ISSN 0034-6861. S2CID 122259372. doi:10.1103/RevModPhys.61.1. hdl:2152/61094 可免费查阅 （英语）. 
  13. ^ 13.0 13.1 13.2 13.3 Martin, Jérôme. Everything you always wanted to know about the cosmological constant problem (but were afraid to ask). Comptes Rendus Physique. July 2012, 13 (6–7): 566–665. Bibcode:2012CRPhy..13..566M. S2CID 119272967. arXiv:1205.3365 可免费查阅. doi:10.1016/j.crhy.2012.04.008. 
  14. ^ Straumann, Norbert. The history of the cosmological constant problem. 2002. arXiv:gr-qc/0208027 可免费查阅. 
  15. ^ Rugh, S.E.; Zinkernagel, H. The quantum vacuum and the cosmological constant problem. Studies in History and Philosophy of Science Part B: Studies in History and Philosophy of Modern Physics. 2002, 33 (4): 663–705 [2016-09-17]. Bibcode:2002SHPMP..33..663R. S2CID 9007190. arXiv:hep-th/0012253 可免费查阅. doi:10.1016/S1355-2198(02)00033-3. （原始内容存档于2010-11-30）. 
  16. ^ Planck Collaboration; Ade, P. A. R.; Aghanim, N.; Arnaud, M.; Ashdown, M.; Aumont, J.; Baccigalupi, C.; Banday, A. J.; Barreiro, R. B.; Bartlett, J. G.; Bartolo, N.; Battaner, E.; Battye, R.; Benabed, K.; Benoît, A. Planck 2015 results: XIII. Cosmological parameters. Astronomy & Astrophysics. 2016, 594: A13. Bibcode:2016A&A...594A..13P. ISSN 0004-6361. arXiv:1502.01589 可免费查阅. doi:10.1051/0004-6361/201525830. 
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