物理学家发现解开暗能量之谜的新方法

暗能量背后是什么——它与阿尔伯特·爱因斯坦引入的宇宙常数有什么联系？ 卢森堡大学的两位物理学家指出了一种方法来回答这些物理学中的开放性问题。

宇宙有许多难以通过日常经验来理解的奇怪属性。 例如，我们所知道的物质，是由基本分子和复合分子构成分子和物质，显然只占宇宙能量的一小部分。 最大的贡献，大约三分之二，来自暗能量– 一种假设的能量形式，其背景物理学家仍然对此感到困惑。此外，宇宙不仅在稳步膨胀，而且还在以越来越快的速度膨胀。

似乎这两个属性是相关的，因为 暗能量 它也被认为是加速扩张的驱动力。 此外，它可以联合两个强大的物理学思想流派：量子场论和阿尔伯特·爱因斯坦发展的广义相对论。 但有一个问题：账目和笔记远非相同。 两名卢森堡研究人员在该杂志发表的一篇研究论文中展示了解决这个 100 年之谜的新方法 物理评论信.

虚粒子在真空中的作用

“真空具有能量。这是量子场论的一个基本结果，”物理与材料科学系理论物理学教授 Alexander Tkachenko 教授解释道。 卢森堡大学. 该理论的发展是为了结合量子力学和狭义相对论，但量子场论似乎与广义相对论不相容。 它的主要优势：与量子力学不同，该理论不仅将粒子而且将没有物质的球体视为量子对象。

“在这个框架内，许多研究人员认为暗能量是所谓真空能量的一种表达，”Tkatchenko 说，这是一种以生命形式产生的物理量，来自成对粒子及其反粒子的出现和持续相互作用——例如作为电子和正电子——在现实中的真空中。

普朗克宇宙微波背景。 图片来源：ESA 和 Planck Collaboration

物理学家将虚拟粒子及其量子场的来来去去称为真空或零点中的波动。 当成对的粒子迅速消退为虚无时，它们的存在会留下一定量的能量。

这位卢森堡科学家指出，“这种真空能量在广义相对论中也有意义”：“它体现在爱因斯坦出于物理原因在他的方程式中包含的宇宙学常数中。”

大量不匹配

与只能从量子场论方程推导出的真空能量不同，宇宙学常数可以通过天体物理实验直接确定。 哈勃太空望远镜和普朗克太空任务的测量已经为基本物理量得出了接近且可靠的值。 另一方面，基于量子场论的暗能量计算得出的结果与宇宙学常数的值为 10 一致¹²⁰ 倍大 – 一个巨大的矛盾，尽管根据当今流行的物理学家的世界观，这两个值必须相等。 存在的矛盾被称为“宇宙常数之谜”。

“毫无疑问，这是现代科学中最大的矛盾之一，”Alexander Tkachenko 说。

非常规解读方式

现在，他与卢森堡研究员德米特里·费多罗夫 (Dmitry Fedorov) 博士一起，为这个悬而未决了几十年的谜团提供了解决方案，又向前迈进了重要的一步。 在一项理论工作中，他们最近在 物理评论信卢森堡的两位研究人员对暗能量提出了新的解释。 假设零点波动会导致真空极化，这可以测量和计算。

“在成对的带相反电荷的虚拟粒子中，它们是由这些粒子在它们存在的非常短的时间内相互施加的电动力产生的，”Tkachenko 解释说。 物理学家将此称为自我相互作用的真空。 科学家 Luxembourg 说：“它导致了可以在新模型的帮助下确定的能量密度。”

几年前，他们与研究同事 Fedorov 一起开发了原子的基本模型，并于 2018 年首次推出。该模型最初用于描述原子特性，特别是原子极化与平衡特性之间的关系一些非共价键合的分子和固体。 由于通过实验测量几何特性非常容易，极化也可以通过他们的公式来确定。

“我们在真空中将此程序转移到操作中，”Fedorov 解释道。 为此，两位研究人员研究了量子域的行为，特别是电子和正电子“来来去去”的表现。 这些场的波动也可以通过实验已知的平衡几何来表征。 “我们将它插入到我们模型的公式中，这样我们最终获得了内部空隙的极化力，”Fedorov 说。

最后一步是机械计算电子和正电子涨落之间自相互作用的能量密度。 这样得到的结果与宇宙常数的测量值非常吻合。 这意味着：“暗能量可以追溯到量子场自相互作用的能量密度，”Alexander Tkachenko 断言。

一致的价值观和可验证的期望

“因此，我们的工作提供了一种优雅且非常规的方法来解决宇宙常数之谜，”物理学家总结道。 “此外，它提供了一个可验证的预测：即，电子和正电子等量子场确实具有微小但始终存在的固有极化。”

两位卢森堡的研究人员表示，这一发现为未来在实验室中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推导出宇宙学常数，”Dmitry Fedorov 断言。 “我们的工作包括如何实现这一点的秘诀。”

他将亚历山大·特卡琴科 (Alexander Tkachenko) 获得的新成果视为更好地理解暗能量及其与阿尔伯特·爱因斯坦宇宙常数的关系的第一步。

最后，Tkatchenko 确信：“最终，这也可以阐明量子场论和广义相对论作为看待宇宙及其组成部分的两种方式交织在一起的方式。”

参考：Aleksandr Tkachenko 和 Dmitry Fedorov 的“量子电动力学场中的卡西米尔自相互作用能量密度”，2023 年 1 月 24 日，可在此处获取。 物理评论信.
DOI：10.1103/PhysRevLett.130.041601