当年,爱因斯坦在提出广义相对论的引力场方程时发现,由于引力是「吸引力」,这样的宇宙一定是「收缩」的(就像向上抛物,最终会落下来一样,或者数学地说,「加速度为负」),而爱因斯坦希望我们生活的宇宙是「稳恒」的,无始无终,「自古以来」就是这样,于是在方程中加入了一个所谓的项(在方程中,这是允许的,相当于不定积分中的任意常数)来抵销「吸引力」的效果,这样,「加速度为零」;后来,大爆炸宇宙学建立了起来,宇宙有诞生点,不是「无始无终」。
爱斯坦后来说,这是他犯过的最大的错误;吊诡的是,「暗能量」的发现,意味着宇宙中有一种更强大的力量来抵抗「吸引力」,宇宙不仅不是「收缩」的,反而是在「加速膨胀」,即「加速度为正」,也就是说,爱因斯坦所谓的「最大的错误」其实并不是错误,而是对的。从方程的右边移到左边,不把它视为方程的一个特性,而认为是一种「特殊」的物质,这种物质是一个数学常数,没有「动力学过程」,就像真空一样,仿佛不会发生变化,也没有什么层次结构,对能量密度有正的贡献,而对压强密度有负的贡献,因此叫做「真空能」。
这样,人们把实验上的「暗能量」和理论上的「真空能」联系起来了。
如果没有任何尺度限制,「零点能」是发散的;但是,把量子理论和引力理论结合起来,从量纲分析上就知道,存在一个尺度限制,这个尺度叫做「普朗克长度」——在这个尺度以上,量子理论和引力理论可以分道扬镳,从不同的角度来处理问题,在这个尺度以下,引力理论和量子理论纠缠在一起,或者说,引力是量子化的,但是,目前为止,量子化的引力理论尚未取得明确可信的进展,爱因斯坦晚年就致力于这方面的工作,仍然一无所获——普朗克长度 只有把普朗克长度作为上述「板子」的尺度,可以令「零点能」不再发散,而是有限的。
很简单地想法是,导致宇宙加速膨胀的「暗能量」就是理论上的「真空能」,而「真空能」就是受到普朗克长度限制的「零点能」,这样一下子把三个概念联系起来了!但是不幸的是,这个想法是错的,而且错得离谱!普朗克长度太小,这样算出来的「零点能」虽然不是发散的,但是离无穷大也不太远了,是极其巨大的,和我们观测所需要的「暗能量」相比,大了120个量级!120个量级不是120倍,这样,这个想法失败了,我们对「暗能量」的了解也很少,同样,对「零点能」的了解也很少。
正好今天上强场物理课程,老师讲到真空:真空并不是一无所有,真空里有万物,甚至可以说,由大爆炸而来的宇宙,便是来自真空,这颇有点类似佛语“空即是色”的观点。
当电场强度高到10^11V/m时,空气会被电离,这就是通常一束强度足够高的激光经聚焦后在空气中会形成光丝(filament)的原因,目前在这一领域的研究已有很多,主要是因为实验进行起来很方便。但是在真空场合呢,事实上真空也是可以被电离的,比如当场强达到10^18V/m时,真空会被电离出正负电子对,注意,这是实物粒子。爱因斯坦质能方程表明了质量与能量之间的关系,由质量变为能量很好理解,原子弹就是这么来的,同理能量也是可以变为质量的,真空电离就是这样一个过程。
真空里有真空零点能。
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