物理学家发现解决怪异的暗能量之谜的新方法

暗能量的背后是什么--以及它与爱因斯坦提出的宇宙学常数有什么联系？来自卢森堡大学的两位物理学家为回答这些开放的物理学问题指明了方向。宇宙有许多奇怪的特性，以日常经验很难理解。例如，我们所知道的物质，由基本粒子和复合粒子构成的分子和材料，显然只占宇宙能量的一小部分。最大的贡献，大约三分之二，来自于"暗能量"--一种假设的能量形式。

物理学家提出了对暗能量的新解释。它可以阐明量子场理论和广义相对论之间的相互联系，作为对宇宙及其元素的两种观点。

学术界仍在对其背景感到困惑。此外，宇宙不仅在稳定地膨胀，而且还在以越来越快的速度膨胀。

这两个特点似乎都有联系，因为暗能量也被认为是加速膨胀的驱动力。此外，它可以重新整合两个强大的物理学派：量子场理论和爱因斯坦提出的广义相对论。但是有一个问题：迄今为止，计算和观测结果远远不匹配。现在，来自卢森堡的两位研究人员在《物理评论快报》杂志上发表的一篇论文中，展示了解决这个百年之谜的新方法。

真空中的虚拟粒子的踪迹

"真空有能量。这是量子场理论的一个基本结果，"卢森堡大学物理和材料科学系理论物理学教授亚历山大-特卡琴科教授解释说。这一理论的发展是为了将量子力学和狭义相对论结合起来，但量子场理论似乎与广义相对论不相容。它的基本特征是：与量子力学相反，该理论不仅将粒子，而且将无物质场视为量子对象。

特卡琴科说："在这个框架内，许多研究人员将暗能量视为所谓的真空能量的一种表达方式。这种物理量以一种生动的形象，是由成对的粒子及其反粒子--如电子和正电子--在实际上是空的空间中不断出现和相互作用造成的。"

普朗克看到的宇宙微波背景资料来源：欧空局和普朗克合作组织

物理学家将这种虚拟粒子及其量子场的来往说成是真空或零点波动。虽然粒子对很快又消失在虚无中，但它们的存在留下了一定的能量。

科学家指出："这种真空能量在广义相对论中也有意义。它表现为爱因斯坦出于物理原因而将宇宙学常数纳入他的方程。"

一个巨大的不匹配

与只能从量子场理论的公式中推导出的真空能不同，宇宙学常数可以通过天体物理学实验直接确定。用哈勃太空望远镜和普朗克太空任务进行的测量已经为这个基本的物理量得出了接近和可靠的数值。另一方面，在量子场理论的基础上对暗能量进行计算，得出的结果相当于宇宙学常数的数值大了10120倍--这是一个巨大的差异，尽管在当今流行的物理学家的世界观中，两个数值应该是相等的。所发现的差异反而被称为"宇宙学常数之谜"。这无疑是现代科学中最大的不一致之处。

非常规的解释方式

他与他在卢森堡的研究同事德米特里-费多罗夫博士一起，现在使这个已经开放了几十年的谜题的解决方案更近了一大步。在一项理论工作中，这两位卢森堡研究人员提出了对暗能量的新解释，他们最近在《物理评论快报》上发表了这一结果。它假设零点波动导致了真空的可偏振性，这种可偏振性既可以测量也可以计算。

特卡琴科解释说："在具有相反电荷的虚拟粒子对中，它产生于这些粒子在其极短的存在期间对彼此施加的电动力量，物理学家们把这称为真空自我作用。"这位卢森堡科学家说："它导致了一个能量密度，可以在一个新模型的帮助下确定。"

与他的研究同事费多罗夫一起，他们在几年前开发了原子的基本模型，并在2018年首次提出了它。该模型最初用于描述原子特性，特别是原子的偏振性与某些非共价键分子和固体的平衡特性之间的关系。由于几何特征在实验中相当容易测量，因此也可以通过其公式确定极化性。

最后一步是通过量子力学计算电子和正电子的波动之间的自我作用的能量密度。以这种方式获得的结果与宇宙学常数的测量值很一致。这意味着暗能量可以追溯到量子场的自我相互作用的能量密度。

一致的数值和可验证的预测

"因此，我们的工作为解决宇宙学常数之谜提供了一种优雅而非传统的方法，"这位物理学家总结道。"此外，它还提供了一个可验证的预测：即量子场，如电子和正电子的量子场，确实拥有一个小而永远存在的内在极化。"

这两位卢森堡研究人员说，这一发现为未来在实验室检测这种极化的实验指明了方向。"我们的目标是从严格的量子理论方法中得出宇宙学常数，"德米特里-费多罗夫强调说。"而我们的工作包含了如何实现这一目标的秘诀"。

他认为与特卡琴科一起获得的新结果是朝着更好地理解暗能量--及其与爱因斯坦的宇宙学常数的联系所迈出的第一步。

"最终，这也可以阐明量子场理论和广义相对论作为观察宇宙及其组成部分的两种方式的交织方式。"