研究揭示量子真空能驅動宇宙加速膨脹

加拿大不列顛哥倫比亞大學的物理學家或已解決當前宇宙學中最大的謎題之一：是什麼導致宇宙加速膨脹？

該研究團隊試圖解決量子力學和愛因斯坦的廣義相對論之間的不兼容性，並以此解釋宇宙學常數問題和暗能量疑難。相關成果近日發表於《物理評論D》，並被選為編輯推薦文章。該期刊審稿人認為，文章「提出了解決宇宙常數問題的新方法」，含有「具有重要影響力的原創思想」。

新研究推斷，如果放大人們生活的宇宙空間，將看到時空不斷劇烈地膨脹和收縮。「時空並不像看上去那樣是靜止的，它在不停地運動。」該文章主要作者、不列顛哥倫比亞大學中國留學生王清滌博士說。

1998年，天文學家發現宇宙正在加速膨脹，這說明宇宙真空並非空無一物，其中存在著驅動宇宙膨脹的動力——占整個宇宙68.3%的物質暗能量。

暗能量最自然的候選者就是物質場的真空能。當物理學家將量子力學應用於真空能的計算時，發現了令人難以置信的高密度真空能。而愛因斯坦的廣義相對論表明，如此巨大的能量會導致很強的引力效應，多數物理學家認為它將導致整個宇宙以無法想像的速度膨脹。

然而，現在的宇宙膨脹的速度非常慢，比物理學家預言的小了50到120個數量級。這造成了基礎物理學的重大難題：這個結合了現代物理學兩大基石——量子力學和廣義相對論而做出的預言竟然比實際觀測值小10120倍。這被弦理論創始人之一、斯坦福大學教授李奧納特?蘇士侃（Leonard Susskind）稱為「有史以來物理學中最糟糕的預言」。菲爾茲獎得主、普林斯頓高等研究院教授愛德華?威滕（Edward Witten） 認為這個問題是「阻礙基礎物理學進步的最大障礙之一」。諾貝爾物理學獎得主史蒂文?溫伯格（Steven Weinberg）認為這是基礎物理學的一個真正的危機。

物理學家做出了很多努力，要麼設法修改量子力學理論以儘可能減少真空能的數值，要麼修改廣義相對論使巨大的真空能不產生引力效應。王清滌和導師、該校物理學和天文學教授威廉?盎魯（William G. Unruh）及另一位博士生朱震則提出了一種全新的解決方案。他們嚴肅對待量子力學預測的巨大真空能，並認為它的確遵循廣義相對論的等效原理。在研究中他們發現此前的計算忽略了一些真空能的重要性質。

一旦這些被忽略的重要性質被考慮到，量子真空的引力效應將與此前人們認為的非常不同。這種差異的結果是儘管真空能非常巨大，但整體看，宇宙仍然會以極小的哈勃常數加速膨脹，而並非以前預言的巨大速率。研究結果表明，正是巨大的量子真空能驅動了宇宙加速膨脹，人們不需要引入宇宙學常數（為了符合觀測，這一常數需要被精確到小數點後120位），也沒有必要引入其他具有負壓強的暗能量解釋宇宙加速膨脹。

他們的計算提供了一種全然不同的宇宙物理圖景。在這個新圖景中，人們所在的時空是在時刻劇烈變化的。時空的每一點都在劇烈地膨脹和收縮著。而宏觀地看，這種膨脹和收縮幾乎可以完全互相抵消，僅剩一個極微弱的凈效應驅動宇宙緩慢加速膨脹。

但如果時空是不斷震蕩的，為什麼人們感覺不到呢？「這種波動發生在極其微小的尺度，甚至比一個電子還小萬萬億倍。」王清滌說。

「就像我們看到的海浪。」 盎魯說，「雖然構成大海的每個原子都在高速運動著，但這並不影響海浪的傳播。」

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