真空能為什麼是0?普朗克尺度下的真空會是什麼樣?

2020-12-05 關注未來世界

量子理論認為「真空不空」，真空看上去空無一物，其實蘊藏著巨大的能量。基於這一點，可以推算出我們身處的時空之中，蘊含的能量應該遠遠超過目前人類有能力觀測到的這部分能量，高達現有觀測值的10420倍。

量子理論最早的引路人之一，美國普林斯頓大學的教授約翰·惠勒（John Wheeler）在1955年提出了一個著名的觀點，他認為，我們所在的時間和空間都不是連續的，它們都不能被無限地分割，只能被分割成一小塊一小塊的。請想像一下，時間和空間就像我們熟悉的那種白色泡沫材料，由若干個相鄰的小泡泡堆積而成。時間和空間的每一個重要的物理量，都存在一個最小的尺度，它們統稱為普朗克尺度。時間最小可以分割成10^-44秒，距離最小可以分割成10^-35米。之所以存在普朗克尺度，是因為受到海森堡（Heisenberg）關係的限制。

現代研究量子場論的學者們採用了比惠勒那個時代更為嚴謹的數學來分析時空量子泡沫，結果表明，即使是看起來空無一物的真空也可以被分割成普朗克尺度。真空裡充滿了「量子泡沫」，所以蘊藏著巨大的能量。這樣的研究結果看上去令人難以置信，其實我們身邊就有這種低調的、隱蔽的能量源。比如鈾235，它們在地殼裡只是一些很平靜的礦石，其貌不揚，但是在一定的條件下鈾235的原子就會被分割（發生裂變反應），釋放出驚人的能量。如果真空可以被分割，而且是分割成比原子尺度更小的普朗克尺度，那麼一定可以釋放出更為驚人的能量。

普朗克尺度下的真空-想像圖

雖然真空量子泡沫蘊含著巨大的能量，但是我們人類現在能分辨的最小的尺度僅限於原子尺度，也就是10^-10米，遠遠無法做到把時空分割到普朗克尺度。所以就目前而言，人類看到的真空其實是一個整體，它的總能量是零。

有一些理論物理學家很感興趣真空能為什麼是零？普朗克尺度下隱藏的巨大能量為什麼能完美地抵消？這些問題還無法給出定論。不過，有些科學家認為，真空中這些隱藏的能量或許與宇宙中的 「暗能量」有相似之處，如果把這兩者結合起來考慮，或許就能解釋宇宙驚人的膨脹速度。

參考資料：Planck evidence for a closed Universe and a possible crisis for cosmology, by Eleonora Di Valentino, Alessandro Melchiorri, Joseph Silk, published on Nature Astronomy (4th November 2019)

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