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量子|宇宙中的量子场最早是何时形成的？( 二 )


你也许会对此持怀疑态度 ， 心想：“那又怎么样呢？量子场理论只是一种计算方法罢了 ， 又不能验证这些量子场在真空中存在与否 。 ”但事实上 ， 我们可以利用它来做实验 。 取两块平行的导电板 ， 放置在你能制造出的最完美的真空中 ， 其中不存在任何物质和任何种类的场源 ， 只有真空自带的量子场 ， 包括最基本的量子电磁场 。
在这两块导电板之外 ， 这些量子场的所有可能状态都可以存在 ， 对量子模式没有任何限制 。 但在导电板内部 ， 只有一部分量子场可以存在 ， 因为有些边界条件阻止了特定电磁波的产生 ， 导致量子场的部分激发态也无法存在 。 就算没有任何电磁波来源 ， 这些激发场态在板内外也是不同的 ， 从而在板上产生了一股叫做卡西米尔力的合力 。
量子|宇宙中的量子场最早是何时形成的？
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图为卡西米尔效应的示意图 。 可以看出 ， 两块板内部和外部所受的力（以及电磁场状态）是不同的 。 由于板外可以存在的量子模式比板内要多 ， 两板之间会形成净吸引力 。
卡西米尔力最早于1948年由亨德里克?卡西米尔（Hendrik Casimir）提出预测 ， 但一直到1997年 ， 才在实验中被证实探测到 。 物理学家斯蒂夫?拉莫雷（Steve Lamoreaux）成功完成了实验 ， 得出的结果处于卡西米尔预测值的5%范围内 。 这些量子场的确在空间中无处不在 。 此次实验不仅证明了量子场的存在 ， 还显示了这些场的影响强度 。
物理学家想弄清的一个概念是 ， 真空中的量子场是否全部由我们所知的量子场（即属于标准模型和与引力关联的量子场）构成 ， 还是也包含其它量子场 。 例如 ， 以下这些来源也可能产生量子场：暗物质的来源、产生暗能量的现象或场、宇宙膨胀期残留的场、大一统理论体系形成的新场或新相互作用、或者标准模型之外的任何全新物理现象（包括但不限于新的力或粒子等等） 。
量子|宇宙中的量子场最早是何时形成的？
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已知量子场在真空中所占的分量目前还无法真正计算出来 ， 但从理论上来说 ， 假如拥有足够强大的计算机 ， 这是可以计算出来的 。 目前我们还不清楚 ， 我们所了解的宇宙是否全部由已知的场、粒子和相互作用构成 。
虽然在我们观察到的情况下 ， 无论是在粒子加速器中、还是在宇宙大爆炸可观测的最早阶段 ， 物理法则都不会变化 ， 但量子场的性质确保了量子耦合的强度（与粒子在量子场中感受到的力相一致）会作为能量和温度的函数发生改变 。
在物理学中 ， 我们将这称作“耦合常数的跑动” 。 你可以这样理解：这些虚拟量子粒子占据的激发态模式比低能基态模式要多 。 虽然这并不意味着在宇宙早期的高能量时期、主宰宇宙的量子场与今日有所不同 ， 但它也说明了某些事情：这些耦合常数也许曾在某一时刻统一过 ， 说明强核力、弱核力和电磁力也许都源自同一套大一统理论 。 在这套理论之下 ， 所有力都实现了统一 。
量子|宇宙中的量子场最早是何时形成的？
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如果将耦合常数表示为双对数坐标轴上的函数 ， 它们就会如左图所示、彼此失之交臂 。 但如果加入一个符合预测的超对称粒子 ， 这几个常数就会在1015GeV（十亿电子伏特）处相交 ， 即传统的大一统能量尺度 。
这套框架不仅提供了其它量子场存在的可能性、揭露了这些量子场在高能量下的影响 ， 还说明宇宙中也许存在一套“终极大一统理论”、或者说“万物理论” 。 假如这种状态真的存在 ， 你可以将其想象为恢复对称性的终极形式 ， 就像把一个球放在行星上最高山的山顶一样 。
假如对称被打破 ， 球就会滚下山、落入沿路遇到的某个山谷的最低点 。 但如果你把球放回山顶 ， 多试几次 ， 尽可能让球取得平衡 ， 这个球不一定每次都会沿同一条路径滚落 ， 具体取决于以下因素：初始条件的微小差别 ， 微小的、甚至量子级别的波动 ， 宇宙膨胀或冷却的速度、以及新场耦合的存在与否 。


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