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量子场论|粒子为什么可以凭空产生或消失？( 三 )


量子场论|粒子为什么可以凭空产生或消失？
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量子场论|粒子为什么可以凭空产生或消失？
零点能的困惑和宇宙的命运
量子谐振子的最低能量不是0 ， 粒子不可以绝对静止 。 按同样的原则 ， 量子的场也不允许绝对平静 ， 每一个波动形式下 ， 都有零点的振动能量 。
这个问题让量子场论陷入了困难 。 首先 ， 无限多种波动模式上都有零点能 ， 真空的总能量密度一定是无穷大的 。 当然 ， 也不是所有零点能都是正的 ， 费米子的零点能是负的 ， 不排除正负能量可以抵消 。 并且 ， 在真空中存在不同粒子的场 ， 这些场之间还有相互作用 ， 也会影响到真空的能量 。 量子场论无法计算真空的能量密度 ， 但合理的推测 ， 它不应该是0 。
在什么都看不见的真空里 ， 能量是多少有关系吗？真空的能量有没有物理意义？
有一个很有趣的现象 ， 展示了真空的能量 ， 叫卡西米尔（Casimir）效应 。 两块金属板 ， 真空中靠近时 ， 如果它们带电 ， 你知道会有吸引力或排斥力 。 但量子场论预言 ， 当它们不带电时 ， 也会有一种吸引力 。
量子场论|粒子为什么可以凭空产生或消失？
图5 两个金属板之间的电磁波振动模式
如图5所示 ， 因为电场不能进入金属 ， 两个金属板之间 ， 电磁波的振动模式受到了限制 ， 只有一系列驻波可以存在 。 这些驻波上 ， 即使没有任何光子 ， 两块金属板的存在 ， 也影响了夹着中间的一部分真空的零点能 。 量子场论虽然算不清真空的能量是多少 ， 但能准确计算内外的能量差 ， 以及能差造成的吸引力 ， 这个计算结果被实验证实了 。 当然 ， 两块板子要靠得非常近（纳米级）才会有显著的吸引力 。
还有更重要的：爱因斯坦的狭义相对论告诉我们 ， 能量和质量可以互相换算的 ， 真空中的能量可以换算成质量 ， 也可以产生万有引力 。 真空的能量密度 ， 就是爱因斯坦广义相对论中的宇宙常数 ， 它对宇宙空间的弯曲和演化 ， 有决定性影响 。
这很有趣 ， 最微观的基本粒子的物理学决定了最宏观的宇宙的命运 。
中学物理可能让你觉得能量是一个标量；但在狭义相对论里 ， 能量和动量组成了四维时空中的一个矢量 ， 能量是这个矢量在时间方向的分量 。 能量密度就更复杂 。 在广义相对论里 ， 它是一个4x4张量中的一个分量 ， 这个张量在对角线上的元素是压强和能量密度 。
你可能听说过暗物质和暗能量 。 暗物质是宇宙中一些不发光的物质 ， 除了不容易被看见 ， 它们和普通物质一样贡献万有引力 。
真空能量就是一种暗能量 ， 它的性质非常不同 。 如果暗能量密度是正的 ， 它本身也贡献吸引力 ， 但正能量密度永远伴随着负的压强 ， 净效果是排斥的 。 负的暗能量密度则贡献一个净吸引力 。
我们的宇宙无比浩瀚 ， 看起来是平直的 。 很长一段时间 ， 人们认为真空的能量就是0 。 直到21世纪 ， 天文观测证实了宇宙在加速膨胀 ， 这意味着真空有一个很小的正能量密度 。 这个能量密度 ， 折算成质量 ， 每立方米只有几个氢原子 ， 但也超过了宇宙所有物质（可见物质加暗物质）的平均总密度 ， 足以克服它们的吸引力让宇宙膨胀 。 膨胀以后 ， 物质的密度更小了 ， 暗能量的密度还是一样的 ， 所以膨胀会越来越快 。
真空能量虽然不完全是0 ， 从粒子物理的角度看 ， 它太小了 ， 随便哪一项暗能量的贡献都比这个值大几十个数量级！从逻辑上来讲 ， 宇宙原来的真空能量和各种量子场的贡献加在一起 ， 可以完全抵消 ， 这能说得通 ， 但很不合理 。 如果没有更高的机制来制约 ， 宇宙原来的真空能量与各种量子场的贡献加起来怎么能抵消得那么干净？这个巨大的疑问 ， 至今仍是现代物理学的未解之谜 。


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