物理學史上最爛的理論預言:高了120個數量級!

2020-12-06 火星科普

雖然量子力學在微觀粒子世界中已經大展拳腳,但卻遭遇了一個有關暗能量的嚴重問題。在宇宙中,我們所能看到的普通物質只佔4.9%,暗物質佔26.8%,而暗能量的佔比高達68.3%。根據現代宇宙學,分布在整個宇宙中的暗能量是導致宇宙正在加速擴張的原因。大約在50億年前,具有排斥作用的暗能量開始支配宇宙。

然而,無論是用什麼方法,目前科學家仍然無法捕捉到暗能量的粒子。這是因為暗能量極有可能是空間本身的固有能量,也許是由量子泡沫(虛粒子隨機產生並消失)所產生,所以這種能量具有質量。

根據當前最為精確的觀測數據,天文學家測量出暗能量在空間中的密度大約為10^-9焦/立方米,雖然極低,但對整個宇宙產生了不可估量的影響。然而,這個又被稱為「宇宙常數」的觀測值與久經檢驗的量子場論所預測的結果相差巨大,根本就是無法逾越的鴻溝。正如《廣義相對論:物理學家的簡介》(General Relativity: An Introduction for Physicists)這本書中所描述的那樣:

「最簡單的計算方法是對自然界中已知所有場的量子力學零點能進行求和,但結果得到一個比宇宙學觀測所確定的上限值高120個數量級的答案。這可能是物理史上最糟糕的理論預言了!沒有人知道如何理解這一結果。勢必存在某些物理機制,使得宇宙常數非常小。」

或者還有一種可能是,量子物理學家對場的理解,乃至對整個宇宙的理解,都存在根本性的缺陷!然而,這似乎不太可能,因為大量的觀測證據支持了量子場論。因此,量子物理學家陷入了困境。雖然對量子理論的估計進行細微的調整能夠大幅縮小差距,但量子力學仍然嚴重高估了暗能量,結果還是高了60個數量級。

天體物理學家奈爾·德葛拉司·泰森在他最近的一本新書中承認:「是的,我們毫無頭緒,但這並非到了絕望的邊緣。這是因為目前還沒有理論來支撐暗能量,我們所能想到暗能量的最大靠山可能是:愛因斯坦的廣義相對論。」

目前觀測到的暗能量密度非常符合大爆炸宇宙論的標準模型,而大爆炸理論已經得到了宇宙微波背景輻射、基本元素的豐度和宇宙加速膨脹等一系列強有力證據的支持。標準宇宙模型的核心是廣義相對論,而廣義相對論是迄今為止最為成功的物理學理論之一。因此,在暗能量與量子力學的交鋒中,暗能量無疑佔據了上風。

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