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了解宇宙起源的关键:真空是什么?

已有 5454 次阅读 2017-7-21 19:57 |个人分类:宏观科学|系统分类:科研笔记|关键词:宇宙,真空,宇宙学,量子场论,宏观科学| 宇宙, 宇宙学, 量子场论, 真空, 宏观科学

在宏观科学里,一个非常重要的问题就是宇宙从何而来。要回答这个问题非常不容易。有许多科学家正在做这个工作。根据目前宇宙学的标准理论(Standard Model of Cosmology),宇宙的起源与真空vacuum)的物理性质有着非常紧密的关系。我们只有了解真空的特性才能真正了解宇宙的起源。


目前对于宇宙起源的了解

在今天,人们可以用非常精微的实验手段来进行天文观测。现在的仪器和技术都十分进步,还可以用卫星在太空中观察。因此,我们对天体的运行以及宇宙中物质与能量的分布已经有相当多的了解。另外,一些近代的理论模型的建立也使得我们对宇宙的起源和发展过程得到一些比较具体的认识。对于宇宙的形成,当前最广泛使用的模型为大爆炸理论(Big Bang Theory) [1, 2]。根据科学家最新的估计,我们的宇宙约在137.99 ± 0.21亿年前诞生[3]。对于最早期的宇宙有很多不同的猜测。在目前通用的模型中,宇宙诞生初期发生了非常快速的膨胀,在10-32 秒内进行了宇宙暴胀(inflation) [4, 5]。在此期间宇宙的膨胀是呈指数增长的。当暴胀结束后,宇宙内形成了大量的物质,包括夸克-胶子浆(quark-gluon plasma),以及其他所有基本粒子[5]。此时的宇宙仍然非常炽热,粒子与反粒子通过碰撞不断地被产生和湮灭。由于一种尚未清楚的机制,粒子的数量略微超过了反粒子的数量。这一机制导致了当今宇宙中物质的存在远多于反物质[6]

随着宇宙的膨胀速度和温度进一步的降低,粒子的能量开始逐渐下降。在宇宙诞生的10-11 秒之后,粒子能量已经降低到了目前高能物理实验所能达到的范围。10-6 秒之后,夸克和胶子结合形成了诸如质子和中子的重子族[7]

在大爆炸发生的几分钟后,宇宙的温度降低到大约109 K的量级。一些质子和所有的中子结合,组成氘和氦的原子核。而大多数没有与中子结合的质子就形成了氢的原子核。这时候由于温度仍然太高,电子不能够与原子核结合成为原子,只能以电浆体的形式并存。随着宇宙的冷却,在大爆炸约37.9万年之后,电子和原子核结合成为原子。这时候,光子再不会受到电浆体的拘束,得以在宇宙空间中通行无阻。科学家认为这个辐射的残迹就形成了今天的宇宙微波背景辐射(简称CMB)。

对于大爆炸理论里面的暴胀阶段,目前学界主要采用1980年由美国物理学家阿兰·古斯首先提出的暴胀模型(Inflation Model)来解释[4,5]。该模型认为,宇宙的起源来自真空的量子扰动(Quantum fluctuation of the vacuum)。在宇宙形成以前,只有一片真空。但这个所谓真空并非一无所有的空间,而是有着非常特殊的物理性质。这个真空相当于量子场论里的基态ground state)。它经常处于一种不稳定的扰动状态。当一处真空的扰动超越于某一个阀值(threshold)时,它就会迅速地激发出更大的扰动,形成一种正反馈。这种正反馈的机制导致了空间的加速膨胀。根据这个暴胀模型,宇宙暴胀在大爆炸后1036 秒开始,在短短的1032 秒之内,宇宙暴胀了1025 [8]。暴胀之后,宇宙继续膨胀,但速度则低得多。


真空的性质是什么?

既然目前的理论认为所有物质与能量都是从真空(vacuum)的量子扰动而产生的。那么这个真空就不可能是空无一物了。把它称为真空显然是用词不当,只能算是一种历史形成的误称。我们也许应该把“vacuum”一词翻译为空间介质

在过去两百年,科学家对于真空有不少的研究。其认识也很不一致。让我们扼要的回顾一下:


(1) “以太学说(Aether hypothesis

19世纪,许多科学家认为电磁场的传导需要一种介质,他们称之为“aether(以太)。这种介质充塞在所有物质(原子和分子)以外的空间。可是,这种以太学说在20世纪初就被主流物理学界抛弃了。这是基于以下几个原因:首先,以太的力学性质有诸多矛盾之处。其次,实验结果并不支持以太假说。如果以太真的存在,人们可以利用光学干涉仪来测量地球和以太的相对运动。有几个不同的团队在19世纪末进行了这类实验。其中最著名的就是1887年的迈克耳孙-莫雷实验[9]Michelson-Morley experiment)。这些实验全都没有测出以太和地球的相对运动。最后,以太假说被认为是不必要的。1905年,爱因斯坦发表了著名的狭义相对论,认为只要承认空间和时间的相对性,就可以很容易地解释迈克耳孙-莫雷实验的结果,根本不需要假设以太的存在。  


(2) 经典电磁学里面的真空Classical Vacuum

不过,光干涉仪的实验虽然没有支持以太的存在,但也不能证明真空的确是空的。在麦克斯韦的电磁学理论里面,真空被视为一种电介质(dielectric medium)。在1862年当麦克斯韦提出他早期的方程组时,他对安培定律的描述是

对此,麦克斯韦并不满意。因为这个方程会违反电荷守恒的要求,即 为了解决这个问题,麦克斯韦提出在式(1)右边加上一个新项 ( D 称为电荷位移”)[10]麦克斯韦根据的理由是:在电介质材料中包含有正电荷和负电荷,当其暴露在电场时,电场会导致电介质中电荷的位移。这个电荷位移的时间变化就会产生一种位移电流 Displacement current”(Jd)。这种位移电流会影响磁场。因此,式(1)不仅要包括外加电流,还应该包括位移电流。也就是说,安培定律的公式应修正为

                           

这成了最终的麦克斯韦方程之一。这个方程在光的传播理论中起着关键的作用。当麦克斯韦研究电磁波在真空中的传播时,他把上式中的外加电流设定为零,但位移电流却不等于零,因为他认为真空是一种电介质,所以辐射波在真空传导过程中 Jd 并不等于零。基于这种判断,他最终导出了电磁波的波动方程。

由此可见,把真空看做一种电介质是麦克斯韦的光传播理论中关键的一步。若是把真空看做空无一物,就不可能导出光的波动方程了。


(3) 量子电动力学和量子场论里面的真空(Quantum Vacuum)

虽然在20世纪初由于相对论的提出使得许多人认为宇宙的空间是空的。但是,随着量子电动力学(QED)的发展,这一看法已经逐渐改变。真空被认为是电磁场没有被激发时的基态ground state)。也就是说,当一个空间里没有出现任何电磁辐射波(光子)的时候,其空间介质所处的静止状态就被称为真空。对于这种空间介质的物理性质,科学家到目前还不是十分清楚。出现过很多种建议模式。不过有一点是可以确定的:这种真空的能量并非零。当我们把某一频率的辐射波量子化时,就会发现其能量是等于E= (n+1/2) hv,所以当量子数为零的时候,该辐射场的能量不是零,而是 ½hv。这称为零点能量(Zero-point energy)。于是,在QED里面的真空,就必须包括无穷无尽的零点能量[11]

在量子场里面,不但光子会生成(created)和湮灭(annihilated),不同的粒子也会生成和湮灭。因此,真空其实就是让不同粒子出没的一个背景实体。真空只是代表当空间里粒子数量为零的时候的量子态。所以量子场论里真空的性质可以非常复杂。美国一位物理学家Joseph Silk对于这种量子真空有过一段生动的描述:量子理论认为,真空不是空的。相反,量子真空可以被描绘为连续出现和消失的粒子的海洋。….. 这里面充满了虚拟的粒子,而不是真实的粒子。 ...在任何给定的时刻,真空充满了一对一对的虚拟的粒子与反粒子,这些虚拟的粒子对可以通过影响原子的能级而被显示出来” [12]

这种把真空当为一个粒子海洋的概念在量子电动学的早期就已经形成。例如,在20世纪30年代,Dirac (狄拉克)创立的电子理论就认为,真空像是一个充满着负能量电子的海洋[13]。当这种负能量电子受到光子的激发时,它就会跃上海面变成一个正能量的自由电子。而这个海洋中所产生的空洞就成了电子的反粒子(即正电子)。狄拉克就凭这个理论在1933年获得诺贝尔物理奖。

根据狄拉克理论的引申,真空不仅仅是负能量电子的海洋而已;所有具有反粒子的粒子都必须有一个负能量粒子的海洋。如此一来,真空不但绝不是空的,它还满载着多种不同的负能量粒子。其复杂性可以想象。于是到了后来,许多研究量子场论的学者就悄悄地放弃了狄拉克的粒子海洋概念。只坚持把粒子当作一个场的量子化激发态;而真空就成了各种量子场的基态。不过对于这个基态的物理性质是什么,始终没有很明确的解释。


(4) 现代宇宙学里面的真空

如上所述,现在宇宙学里的主流理论是暴胀理论。这个理论应用了广义相对论以及粒子物理里面的标准模型(Standard Model of particle physics)。暴胀理论里面的真空概念基本是从粒子物理里面的真空概念衍生而来。也就是说,真空里并非空无一物,它仅仅是量子场里面的基态。暴胀理论假设宇宙是贯穿在一个标量场(ϕ)里面。它的性质相当于希格斯理论里面的希格斯场(Higgs field)。真空只是这个场的一个局部最小值(local minimum)。事实上,在暴胀理论里,这种局部最小值(local minima)不止一个。最低的一个被称为真真空”(True vacuum);而相邻的较高的一个就被称为伪真空False vacuum)。而宇宙的诞生就是通过在伪真空里面的量子扰动(quantum fluctuation)形成的[4,5]

这个暴胀理论之所以为目前大多数的宇宙学者所接受,是因为它能够很简单地解释几个近年观察到的宇宙学现象,包括宇宙的均匀性和平直性。但对于这个理论本身的细节,还有很多争论的地方[14,15]。这个暴胀模型里面的真空的具体物理性质究竟是什么?目前还有待研究。

在最近几十年,有些学者尝试用弦理论来解释我们的物理世界,包括宇宙的起源。这个理论被称为万有理论A theory of everything)。因为它企图融合了量子力学和广义相对论,从而解释了从最小的粒子到最大的宇宙的一切物理现象。在这个弦理论里面,真空也不是空的;它是由非常微细的弦交织而成。根据MIT文小刚教授的说法,在现有的弦理论里,真空就是一种弦网液体;弦的密度波就是光波、弦的末端就是电子和夸克。文教授曾经打趣地说:真空的弦网液体就像一碗汤面。而我们就是活在这碗汤面里[16]


(5) 物质波模型里的真空

从以上讨论可知,我们正处于一个尴尬的境地。一方面,旧的真空介质的概念(即以太假说)已经被证明是不能接受的。可是麦克斯韦理论里的经典真空又需要具备电介质的性质。另一方面,随着量子场论的发展,真空已经不仅不,还有着非常复杂的性质。到底出路在哪里呢?我最近提出了一种新的理论尝试,称为物质波模型Matter wave model)。里面假设物质波和辐射波都是同一真空介质的不同激发波;而真空是一种特定的空间介质,其性质有点像麦克斯韦理论里面的电介质系统[17,18]。这意味着,自然世界里所有的粒子,包括组成物质的费米子,和组成辐射波的光子及其他玻色子(无论有无质量),都是真空介质不同的激发波。读者如果对这个模型有兴趣,可以参考我列在文末的几篇文章[17-19]


结束语

       在目前,我们对于真空的具体物理性质的认识仍然很浅。但无论是今天的主流宇宙学理论还是量子场理论,真空都不是空的。事实上,有一些著名的实验已经清楚地显示我们的真空具有特殊的物理性质。这些实验包括:真空极化效应(effects of vacuum polarization),兰姆位移(Lamb shift)和卡西米尔效应(Casimir effect[11, 20]。这些实验显示真空的可极化,真空对于原子内的电子运动的影响,以及真空能量的可量度性。所以,已经有不少可靠的实验证据,显示“真空”并非一个空无一物的空间。


参考文献:

[1] P. Coles, "The state of the Universe," Nature, vol. 433, pp. 248-256, 2005.

[2] D. N. Spergel, "The dark side of cosmology: Dark matter and dark energy," Science, vol. 347, (6226), pp.1100-1102, 2015.

[3] Planck Collaboration, P. A. R. Ade and et al, "Planck 2015 results - XIII. Cosmological parameters," Astron. Astrophys., vol. 594, A13, 2016.

[4] A. H. Guth and D. I. Kaiser, "Inflationary cosmology: Exploring the universe from the smallest to the largest scales," Science, vol. 307, (5711), pp. 884-890, 2005.

[5] A. H. Guth, The Inflationary Universe: The Quest for a New Theory of Cosmic Origins. Helix Books: Addison-Wesley, Reading, Mass., 1997.

[6] E. W. Kolb, The Early Universe. Addison-Wesley, Reading,Mass., 1990.

[7] S. Weinberg, The First Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe. (Updated ed.) Basic Books, New York, 1988.

[8] A. H. Guth, "Inflation," PNAS, vol. 90, (11),pp. 4871-4877, 1993.

[9] A. A. Michelson and E. W. Morley, "On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether," American J. of Science, vol. 34, 1887, pp. 333-345.

[10] M. S. Longair, "The origin of Maxwell's equations and their experimental validation," in Theoretical Concepts in Physics:An Alternative View of Theoretical Reasoning in Physics for Final-Year Undergraduates, 1st ed. Cambridge University Press, 1984, pp. 37-59.

[11] E. Whittaker, A History of the Theories of Aether and Electricity. Thomas Nelson and Sons Ltd, London, 1951.

[12] J. Silk, On the Shores of the Unknown: A Short History of the Universe. Cambridge University Press, 2005.

[13] P. A. M. Dirac, The Principles of Quantum Mechanics. (4thed.), Clarendon Press, Oxford, 1981.

[14] A. Ijjas, P. J. Steinhardt and A. Loeb, "Cosmic inflation theory faces challenges," Scientific American, vol. 316, (2),2017.

[15] “A cosmic controversy,”Scientific American,(2017 Feb). Available: https://blogs.scientificamerican.com/observations/a-cosmic-controversy/.

[16] 文小刚,“光的奥秘和空间的本源”,赛先生(2016-07-12). Available: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3OTgzMzUzOA==&mid=2651224737&idx=1&sn=21bd6ac3cb166beadd031fb53a92edbb&scene=21#wechat_redirect.

[17] D. C. Chang, "A Classical Approach to the Modeling of Quantum Mass," Journal of Modern Physics, vol. 4, (11), pp.21-30, 2013.  DOI: 10.4236/jmp.2013.411A1004

[18] D. C. Chang, " On the wave nature of matter: A transition from classical mechanics to quantum mechanics," arXiv Preprint Physics/0505010v2, 2017. Link: https://arxiv.org/abs/physics/0505010

[19] D. C. Chang and Y. Lee, "Study on the Physical Basis of Wave-Particle Duality: Modelling the Vacuum as a Continuous Mechanical Medium," Journal of Modern Physics, vol. 6, (08), pp.1058-1070, 2015.  DOI: 10.4236/jmp.2015.68110

[20] J. H. Williams, Order from Force: A natural history of the vacuum. IOP Concise Physics, Morgan & Claypool Publication, CA, USA, Ch. 7, 2015.




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