暗能量的背后是什么--以及它與愛(ài)因斯坦提出的宇宙學(xué)常數(shù)有什么聯(lián)系？來(lái)自盧森堡大學(xué)的兩位物理學(xué)家為回答這些開(kāi)放的物理學(xué)問(wèn)題指明了方向。宇宙有許多奇怪的特性，以日常經(jīng)驗(yàn)很難理解。例如，我們所知道的物質(zhì)，由基本粒子和復(fù)合粒子構(gòu)成的分子和材料，顯然只占宇宙能量的一小部分。最大的貢獻(xiàn)，大約三分之二，來(lái)自于"暗能量"--一種假設(shè)的能量形式。

物理學(xué)家提出了對(duì)暗能量的新解釋。它可以闡明量子場(chǎng)理論和廣義相對(duì)論之間的相互聯(lián)系，作為對(duì)宇宙及其元素的兩種觀點(diǎn)。

學(xué)術(shù)界仍在對(duì)其背景感到困惑。此外，宇宙不僅在穩(wěn)定地膨脹，而且還在以越來(lái)越快的速度膨脹。

這兩個(gè)特點(diǎn)似乎都有聯(lián)系，因?yàn)榘的芰恳脖徽J(rèn)為是加速膨脹的驅(qū)動(dòng)力。此外，它可以重新整合兩個(gè)強(qiáng)大的物理學(xué)派：量子場(chǎng)理論和愛(ài)因斯坦提出的廣義相對(duì)論。但是有一個(gè)問(wèn)題：迄今為止，計(jì)算和觀測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不匹配?，F(xiàn)在，來(lái)自盧森堡的兩位研究人員在《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上發(fā)表的一篇論文中，展示了解決這個(gè)百年之謎的新方法。

真空中的虛擬粒子的蹤跡

"真空有能量。這是量子場(chǎng)理論的一個(gè)基本結(jié)果，"盧森堡大學(xué)物理和材料科學(xué)系理論物理學(xué)教授亞歷山大-特卡琴科教授解釋說(shuō)。這一理論的發(fā)展是為了將量子力學(xué)和狹義相對(duì)論結(jié)合起來(lái)，但量子場(chǎng)理論似乎與廣義相對(duì)論不相容。它的基本特征是：與量子力學(xué)相反，該理論不僅將粒子，而且將無(wú)物質(zhì)場(chǎng)視為量子對(duì)象。

特卡琴科說(shuō)："在這個(gè)框架內(nèi)，許多研究人員將暗能量視為所謂的真空能量的一種表達(dá)方式。這種物理量以一種生動(dòng)的形象，是由成對(duì)的粒子及其反粒子--如電子和正電子--在實(shí)際上是空的空間中不斷出現(xiàn)和相互作用造成的。"

普朗克看到的宇宙微波背景 資料來(lái)源：歐空局和普朗克合作組織

物理學(xué)家將這種虛擬粒子及其量子場(chǎng)的來(lái)往說(shuō)成是真空或零點(diǎn)波動(dòng)。雖然粒子對(duì)很快又消失在虛無(wú)中，但它們的存在留下了一定的能量。

科學(xué)家指出："這種真空能量在廣義相對(duì)論中也有意義。它表現(xiàn)為愛(ài)因斯坦出于物理原因而將宇宙學(xué)常數(shù)納入他的方程。"

一個(gè)巨大的不匹配

與只能從量子場(chǎng)理論的公式中推導(dǎo)出的真空能不同，宇宙學(xué)常數(shù)可以通過(guò)天體物理學(xué)實(shí)驗(yàn)直接確定。用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和普朗克太空任務(wù)進(jìn)行的測(cè)量已經(jīng)為這個(gè)基本的物理量得出了接近和可靠的數(shù)值。另一方面，在量子場(chǎng)理論的基礎(chǔ)上對(duì)暗能量進(jìn)行計(jì)算，得出的結(jié)果相當(dāng)于宇宙學(xué)常數(shù)的數(shù)值大了10120倍--這是一個(gè)巨大的差異，盡管在當(dāng)今流行的物理學(xué)家的世界觀中，兩個(gè)數(shù)值應(yīng)該是相等的。所發(fā)現(xiàn)的差異反而被稱(chēng)為"宇宙學(xué)常數(shù)之謎"。這無(wú)疑是現(xiàn)代科學(xué)中最大的不一致之處。

非常規(guī)的解釋方式

他與他在盧森堡的研究同事德米特里-費(fèi)多羅夫博士一起，現(xiàn)在使這個(gè)已經(jīng)開(kāi)放了幾十年的謎題的解決方案更近了一大步。在一項(xiàng)理論工作中，這兩位盧森堡研究人員提出了對(duì)暗能量的新解釋?zhuān)麄冏罱凇段锢碓u(píng)論快報(bào)》上發(fā)表了這一結(jié)果。它假設(shè)零點(diǎn)波動(dòng)導(dǎo)致了真空的可偏振性，這種可偏振性既可以測(cè)量也可以計(jì)算。

特卡琴科解釋說(shuō)："在具有相反電荷的虛擬粒子對(duì)中，它產(chǎn)生于這些粒子在其極短的存在期間對(duì)彼此施加的電動(dòng)力量，物理學(xué)家們把這稱(chēng)為真空自我作用。"這位盧森堡科學(xué)家說(shuō)："它導(dǎo)致了一個(gè)能量密度，可以在一個(gè)新模型的幫助下確定。"

與他的研究同事費(fèi)多羅夫一起，他們?cè)趲啄昵伴_(kāi)發(fā)了原子的基本模型，并在2018年首次提出了它。該模型最初用于描述原子特性，特別是原子的偏振性與某些非共價(jià)鍵分子和固體的平衡特性之間的關(guān)系。由于幾何特征在實(shí)驗(yàn)中相當(dāng)容易測(cè)量，因此也可以通過(guò)其公式確定極化性。

最后一步是通過(guò)量子力學(xué)計(jì)算電子和正電子的波動(dòng)之間的自我作用的能量密度。以這種方式獲得的結(jié)果與宇宙學(xué)常數(shù)的測(cè)量值很一致。這意味著暗能量可以追溯到量子場(chǎng)的自我相互作用的能量密度。

一致的數(shù)值和可驗(yàn)證的預(yù)測(cè)

"因此，我們的工作為解決宇宙學(xué)常數(shù)之謎提供了一種優(yōu)雅而非傳統(tǒng)的方法，"這位物理學(xué)家總結(jié)道。"此外，它還提供了一個(gè)可驗(yàn)證的預(yù)測(cè)：即量子場(chǎng)，如電子和正電子的量子場(chǎng)，確實(shí)擁有一個(gè)小而永遠(yuǎn)存在的內(nèi)在極化。"

這兩位盧森堡研究人員說(shuō)，這一發(fā)現(xiàn)為未來(lái)在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)這種極化的實(shí)驗(yàn)指明了方向。"我們的目標(biāo)是從嚴(yán)格的量子理論方法中得出宇宙學(xué)常數(shù)，"德米特里-費(fèi)多羅夫強(qiáng)調(diào)說(shuō)。"而我們的工作包含了如何實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的秘訣"。

他認(rèn)為與特卡琴科一起獲得的新結(jié)果是朝著更好地理解暗能量--及其與愛(ài)因斯坦的宇宙學(xué)常數(shù)的聯(lián)系所邁出的第一步。

"最終，這也可以闡明量子場(chǎng)理論和廣義相對(duì)論作為觀察宇宙及其組成部分的兩種方式的交織方式。"

來(lái)源：cnBeta