為什麼真空中還有巨大的能量?時空中或許被「量子泡沫」填滿!

2020-12-06 博科園
博科園:本文為物理學類

加州大學物理學家史蒂文·卡利普(Steven Carlip)提出了一個理論,來解釋為什麼空白空間似乎充滿了巨大的能量,它可能被普朗克(Planck)尺度的效應所掩蓋,並在《物理評論快報》期刊上發表了他的新理論研究論文。傳統理論認為,時空應該充滿巨大的能量,也許比表面上存在的能量多10^120倍。多年來,許多理論家提出了為什麼可能是這樣的想法。大多數科學家嘗試了顯而易見的方法,試圖找出一種讓能量消失的方法,但都沒有成功。

在這個新研究中,Carlip提出,也許所有的能量都在那裡,但它與宇宙的膨脹沒有任何聯繫,因為它的影響正在被普朗克尺度的東西抵消。Carlip的新理論在很大程度上是基於John Wheeler(約翰·惠勒)在20世紀50年代所做的研究,Wheeler提出,在儘可能小的尺度下,空間和時間變成了他稱之為「時空泡沫」的東西。Wheeler認為,在如此小的範圍內,定義時間、長度和能量將受制於不確定原則。從那以後,其他科學家對時空泡沫進行了認真的研究,有些科學家提出,如果真空中充滿了時空泡沫,就會涉及到大量的能量。

另外一些科學家則認為這樣的情況會表現得像宇宙學常數一樣。因此,為了解釋這些想法,科學家們試圖找到抵消能量的方法,作為一種讓它消失的方式。相反,Carlip提出,在時空泡沫的情況下,能量將在真空中無處不在,但如果你仔細觀察,會發現普朗克大小的區域有同樣膨脹或收縮的可能性。在這種情況下,微小區域的拼湊看起來就像真空中較大區域一樣:它們不會膨脹或收縮,這意味著將有一個零宇宙常數,在這種情況下,時間將沒有內在的方向。

也許標準的有效場論論點是正確的,真空漲落確實產生了巨大的宇宙學常數。該新研究表明,如果一個人不假設普朗克尺度上的均勻性和時間箭頭,一大類廣義相對論初始數據表現出在小尺度上巨大的膨脹、剪切和曲率,但在宏觀上很快平均為零。隨後的演化更加複雜,但該研究認為量子漲落可能會保留這些特性。由此產生的是惠勒「時空泡沫」的一個版本,其中宇宙常數在普朗克尺度下產生高曲率,但在可觀察的尺度下幾乎看不見。

博科園|Copyright Science X Network/Bob Yirka,Phys參考期刊《物理評論快報》DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.131302博科園|科學、科技、科研、科普關注【博科園】看更多大美宇宙科學哦

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  • 真空能為什麼是0?普朗克尺度下的真空會是什麼樣?
    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。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。
  • 我們的宇宙是其它宇宙的氣泡,時空泡沫理論迎復甦
    最近的研究表明,時空氣泡本質上是在我們自身內部短暫形成的微型宇宙。量子時空泡沫理論非常符合量子世界的內在不確定性和不可預測論。量子時空泡沫將粒子位置和動量的量子不確定性擴展到宇宙的最基本結構,因此它的幾何結構不是穩定的、一致的或固定在一個微小的尺度上。從數米高的空中看,行進中的螞蟻看起來是一條彎曲的黑線。
  • 虛粒子引發時空泡沫,宇宙可能永遠看不清
    在廣義相對論中,愛因斯坦將時空描述為在根本上是光滑的,只有在受到能量或物質的作用下才會發生扭曲。然而一些量子物理學家們對此持有不同意見,他們認為時空並不是連續的,而是由大量微小的粒子組成的,這些粒子不斷出現和消失。
  • 如果時空是量子化的,宇宙本身或許根本就不需要第一推動力!
    時空的起點或許並不需要獲取能量……我們一直認為空間是恆定不變的,物質和能量存在於空間這個大舞臺似的背景中運動變化。但愛因斯坦的理論指出空間實際上與能量和質量之間都是相互聯繫的,並且隨著時間推移空間也在發生變化。
  • 利用普朗克能量或許能夠撕裂空間,進入另一個宇宙!
    許多物理學家認為,在極度微小的距離,即10-53釐米的普朗克距離內,空間不是空無一物或者平靜的,而是變得「滿是泡沫」。它打出微小的氣泡,氣泡不斷地短暫出現,與其他氣泡相撞,隨後消失在真空中。這些在真空中猛然進進出出的氣泡是「虛擬宇宙」,非常類似於突然出現又消失的電子和正電子虛擬粒子。
  • 量子理論得出「你中有我,我中有你」,真空都間斷不了我們的關係
    常識告訴我們,地球外太空是真空的,沒有空氣,因此,太空人需要穿著有氧氣的生命裝備太空衣。真空是不是什麼都沒有呢?科學界認為,真空只是我們所說沒有空氣而已,嚴格來說,真空裡面還有其他物質在,一些透明,幾乎沒有活動的粒子藏在真空的空間,或者說一個平衡量子態在真空裡。
  • 量子理論得出「你中有我,我中有你」,真空都間斷不了我們的關係
    常識告訴我們,地球外太空是真空的,沒有空氣,因此,太空人需要穿著有氧氣的生命裝備太空衣。真空是不是什麼都沒有呢?科學界認為,真空只是我們所說沒有空氣而已,嚴格來說,真空裡面還有其他物質在,一些透明,幾乎沒有活動的粒子藏在真空的空間,或者說一個平衡量子態在真空裡。我們先來看看真空在物理學上的含義:是指在給定的空間內低於一個大氣壓力的氣體狀態,是一種物理現象。
  • 時空是平滑的還是充滿泡沫的「粒子湯」?
    在相對論的語言中,物質和能量會使織物般的時空結構發生彎曲和扭曲,作為回應,時空的彎曲和扭曲也決定著物質和能量如何移動,這就是我們共同體驗到的「引力」。為了讓廣義相對論的數學原理起作用,這個時空結構必須在最小尺度上絕對平滑。不管你把鏡頭拉近多遠,時空都將像一件新熨過的襯衫一樣沒有褶皺。時空沒有洞,沒有裂痕,沒有纏結,一切都是那麼純粹、乾淨和平滑。
  • 科學家說時空隧道就在我們身邊,為什麼人類無法利用?
    因此,絕對零度時粒子也在運動,這意味著即使是在毫無能量的真空之中,實際上也存在能量,這種能量,稱之為真空零點能量。真空之中,時空看似是平坦的,但深入到微觀世界,你會發現時空是曲折不平的。即使在絕對零度的真空之中,不同位置能量也會不斷出現與消失,這種情況稱為量子漲落。能量就像泡泡一樣不斷「生與滅」,因此也叫量子泡沫。這些泡沫很有可能就是宇宙成長的原型,幼宇宙。
  • 真空宇宙會有能量存在嗎?
    假設我們把所有不同數量的物質和能量帶走,使宇宙中沒有任何類型的粒子或反粒子;我們移除任何引力或空間曲率的來源,把宇宙縮小到純粹的空白(真空)空間;且可以保護宇宙不受任何外部電場、磁場或施加核力的磁場的影響,從而消除它們對我們正在考慮的時空可能產生的任何影響。像這樣的真空宇宙會有能量存在嗎?
  • 為什麼光可以在真空中傳播,而聲音不能?
    但光的傳播不需要介質,它們可以在真空中傳播。那麼,聲音和光有什麼區別呢?為什麼聲音不能在真空中傳播,而光卻可以呢? 聲波 聲音其實屬於機械波,其本質是機械振動的傳播,而機械振動依賴於介質。當物體發生振動時,比如敲打桌子,這種振動會帶動空氣中的分子出現有規律的振動,由此聲波會在空氣中傳播開來。
  • 零點漲落無中生有,暗藏能量真空不空
    真空不空與零點能量的概念有關聯。零點能原意指的是量子系統處於基態(絕對零度)時所擁有的能量。不過,在量子場論的語義下,零點能與真空能是一致的。零點能的概念最早出現在普朗克(Max Planck,1858 -1947)1912年發表的一篇文章中[1],是他在重新表述他十幾年前開創的量子理論時提出的。
  • 「真空」真的不空!細看的話,會有很多泡沫
    所謂的「端倪」便是一片混亂的虛粒子,統稱量子泡沫(quantum foam)。量子物理學家指出,虛粒子在時空中轉瞬即逝,就像啤酒泡沫中的氣泡一樣。那麼,我們為什麼如此確定量子泡沫一定存在呢?早在1947年,荷蘭物理學家亨德裡克·卡西米爾(Hendrik Casimir)和德克·波爾德(Dirk Polder)便對該物質存在的證據之一提出了預測。費米實驗室的高級實驗物理學家唐·林肯(Don Lincoln)將為我們解釋所謂的「卡西米爾效應」。
  • 超時空四,太空中的真空能量能為我們所用嗎
    我們已經知道量子漲落可能催生能夠穩定存在的蟲洞,一些科學家又開始考慮是否能將其應用到其他領域中,即便是虛無的太空也具有少量的能量,而且在我們的星球周圍他無處不在。如果空間本身充斥著能量,我們是否能夠捕捉這些能量,以供急用驅動飛船呢?
  • 時空膨脹的量子化
    「量子泡沫」是一種虛擬粒子的集合,無數的虛擬粒子在量子時空場「忽進忽出」,形成瞬間產生、瞬間消失的量子漲落,量子時空結構的波動現象就像啤酒泡沫中的泡泡,時空的「量子氣泡」顯示在量子力學定義的「普朗克尺度」中,它們比原子核的尺寸小了千萬億倍,我們不能以現有的量子技術探測它們的存在。
  • 真空中放大無限倍存在什麼?科學家嚇了一大跳,比原子核小几十倍!
    如果通過顯微鏡觀察真空樣本,你會發現什麼?放大1000倍,什麼也沒有;1000000倍以後空空蕩蕩;當放大1000000000倍後,一定還是一片虛無。但你真的以為一個「空間」內真的什麼都不存在嗎?這裡講的「空間」內是不包含任何氣體分子和原子的,因為即使再小的原子也可以被儀器捕捉到呈現在肉眼前。
  • 真空不空,為什麼不存在絕對真空呢?
    這可以看作是當時物理學界,對於真空這個概念比較流行的看法。認為真空中充滿著「以太」。為什麼這麼說呢?因為一朵帶來了「相對論」,另一朵帶來了「量子力學」。當時量子力學的基本運動方程式是薛丁格方程,它是一個無法滿足「相對論協變性」的方程,所以叫非相對論性方程。
  • 宇宙起源之謎:或從「虛空」中誕生?
    但物理學家們指出,這一理論是直接從物理學的兩大支柱,即量子力學和廣義相對論中推導出來的。可是,從「虛空」之中誕生,這怎麼可能呢?  真空中的粒子在探討這個問題之前,我們首先應該了解一下量子力學的一些觀點。量子力學是物理學的一個重要分支,主要適用於非常微觀的世界,如原子甚至更加微小的粒子。
  • 真空並不存在,暗能量的本質或許就是真空力
    真空與虛空虛空,通常在宏觀物理研究上,我們將虛空等同於真空的概念,真空,簡單來講就是空無一物,在特定區域內不存在任何的物質與能量,但實際上,整個宇宙中都不存在嚴格意義上的真空區域,即使是在物質極為稀薄的宇宙中,也存在著每10立方米一個原子的物質