宇宙学常数问题

未解决的物理学问题：为什么真空的零点能造成了特大的宇宙学常数？是什么物理机制抵销了它？

宇宙学常数问题是当今物理学界有待解决的重要问题之一。根据广义相对论，宇宙真空里蕴藏的能量会产生引力场，真空能量密度 $\rho _{vac}$ 与宇宙学常数 $\Lambda$ 之间的关系为 $\rho _{vac}c^{2}=\Lambda c^{4}/8\pi G$ 。真空能量密度的计算是物理学尚未解决的一个大问题。最简单算法是总和所有已知量子场贡献出的零点能，但这理论结果超过天文观测值120个数量级，被惊叹为“物理史上最差劲的理论预测”！该问题称为宇宙学常数问题。为什么从真空能量密度计算出的宇宙学常数，会与天文观测值相差这么大？到底是什么物理机制抵销这超大数值？解决这一系列问题可能要用到量子引力理论。^[1]^:186-187

背景[编辑]

1916年，瓦尔特·能斯特最先发现与提出真空灾变问题^[2]，并且疑问这么特大的真空能量会对重力效应造成的结果^[3]^[4]。

1967年由俄罗斯宇宙学家雅可夫·泽尔多维奇提出宇宙学常数问题。

虚粒子对质子或原子之影响[编辑]

根据量子力学，我们有可能算出氢原子附近间歇生灭的所有虚粒子，对氢原子频谱所造成之影响。对于比较观测结果的准确性，更可以到达非常的高度。

当中的计算，其实就是计算质子或原子的总能量，再计算虚粒子在空无空间的总能量，两者相减。两种能量在形式上皆为无穷，然而两者相减，按狄拉克的规则却可以得出一个有限的数值。

虚粒子对空无空间之影响[编辑]

然而，若想只单独计算虚粒子对空无空间之影响，则无任何可减之物，求出的结果，则为无穷。若索其根源，海森堡测不准原理指出间歇生灭的虚粒子消失得越快，其所带有之能量则越大。因此若时间降低至几乎瞬间消失，粒子则可摧带几乎无穷之能量。若要排除无穷，第一个作法，则是引入截断，以普朗克时间作为虚粒子存在时间之下限。但即使如此，透过此方法计算所得之宇宙空无空间能量，竟然比宇宙学常数计算之观测结果高出120个数量级。两者的巨大差异，就是宇宙学常数问题。

真空灾变[编辑]

从航海家探测卫星测量到的数据所推断出的真空能量密度上限为10¹⁴ GeV/m³，而从量子场论估算出的零点能密度为10¹²¹ GeV/m³。两个数值难以置信地相差了107个数量级^[5] 在宇宙学里，这差异称为真空灾变（英语：vacuum catastrophe）。^[6]物理史上从未见到这么大的差距，物理学者认为这是当今物理理论的重大瑕疵。

1916年，瓦尔特·能斯特最先发现与提出真空灾变问题。^[2]并且疑问这么特大的真空能量会对重力效应造成的结果^[3]^[7]。

这问题可能对于引力与量子理论的统一给出很有价值的线索，因此有很多理论物理学者致力于这方面的研究。^[6]

问题及解决方向[编辑]

故此，必须要将理论值下调120个数量级以至与观测值一致，方能作出一个合理的解释。我们必须要降低那个从空无空间虚粒子能量轻率地计算的估值，向下修正到一个合理的上限。当中牵涉到2个非常大的正数相减，在头120个位彼此相消，而在第121个位留下非零数值。如此精确程度，在科学界并无先例可言。

参见[编辑]

参考文献[编辑]

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^ SE Rugh, H Zinkernagel. The quantum vacuum and the cosmological constant problem. Studies in History and Philosophy of Science Part B. 2002, 33: 663–705 [2016-09-17]. doi:10.1016/S1355-2198(02)00033-3. （原始内容存档于2010-11-30）.
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[Hobson-1] MP Hobson, GP Efstathiou & AN Lasenby. General Relativity: An introduction for physicists Reprint. Cambridge University Press. 2006. ISBN 9780521829519.

[Nernst-2] 2.0 ^2.1 W Nernst. Über einen Versuch von quantentheoretischen Betrachtungen zur Annahme stetiger Energieänderungen zurückzukehren. Verhandl. der Deutschen Phys. Gesellschaften. 1916, 18: 83. （德文）

[Nieuwenhuizen-3] 3.0 ^3.1 TM Nieuwenhuizen. Beyond the quantum. World Scientific. 2007: 250. ISBN 9812771174.

[4] SE Rugh, H Zinkernagel. The quantum vacuum and the cosmological constant problem. Studies in History and Philosophy of Science Part B. 2002, 33: 663–705 [2016-09-17]. doi:10.1016/S1355-2198(02)00033-3. （原始内容存档于2010-11-30）.

[Dutra-5] SM Dutra. Cavity Quantum Electronics. John Wiley & Sons. 2005: 63. ISBN 0471713473.

[Adler-6] 6.0 ^6.1 Adler, Ronald; et al. Vacuum catastrophe: An elementary exposition of the cosmological constant problem (PDF). Am. J. Phys. 1995, 63 (7) [2013-11-12]. （原始内容 (PDF)存档于2012-04-16）.

[7] SE Rugh, H Zinkernagel. The quantum vacuum and the cosmological constant problem. Studies in History and Philosophy of Science Part B. 2002, 33: 663–705 [2011-06-05]. doi:10.1016/S1355-2198(02)00033-3. （原始内容存档于2010-11-30）.

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