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能量潮obv是什么?

元气小小肉丸
2021/6/12 5:29:14
能量潮obv是什么?

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  • 晫禾

    2021/6/14 9:47:58

    能量是物体具有对它物作用的能力的度量。

  • 漂泊的司先生

    2021/6/17 17:16:48

    我们想象一下,如果可以的话,拥有一个完全没有任何东西的宇宙意味着什么。假设我们把所有不同数量的物质和能量带走,使宇宙中没有任何类型的粒子或反粒子;我们移除任何引力或空间曲率的来源,把宇宙缩小到纯粹的空白(真空)空间;且可以保护宇宙不受任何外部电场、磁场或施加核力的磁场的影响,从而消除它们对我们正在考虑的时空可能产生的任何影响。像这样的真空宇宙会有能量存在吗?

    • 图注:量子电动力学中有几项有助于真空零点能的因素,尽管我们经常假定这些对量子真空的贡献的值总和为零,但这一假设没有坚实的基础。

    对于任何我们可以想象到的物理系统,总会有一个最低配置,我们可以把它放在能量总量最低的地方。对于一系列与宇宙隔绝的物质来说,那是一个黑洞。对于一个质子和一个电子,它是处于基态(即最低能量)的氢原子。对于宇宙本身来说,就是在没有任何外部场或源的情况下建立一个空白空间。

    • 图注:在假真空中的标量场φ。请注意,能量E高于真实真空或基态时的能量,但有一个屏障阻止电场经典地向下滚动到真实真空。还要注意最低能量(真真空)状态是如何被允许有一个有限和正的非零值。许多量子系统的真空零点能已知大于零。

    最低能量状态被称为真空零点能(Zero-Point Energy)状态。很长一段时间以来,研究宇宙的科学家都认为真空零点能(Zero-Point Energy)为零。请注意,这并不是出于任何物理原因,而是因为我们只有两个 试图达到它的方法,并且两者都给出了指向除零以外的任何值的问题的答案。

    • 图注:对爱因斯坦广义相对论进行了无数次的科学检验,使其受到了人类有史以来最严格的限制。物质和能量在空间中的存在告诉时空如何弯曲,而弯曲的时空告诉物质和能量如何移动。但也有一个自由参数:空间真空零点能量,作为宇宙常数进入广义相对论。这准确地描述了我们观察到的暗能量,但没有解释其价值。

    空间真空零点能的概念第一次出现在爱因斯坦(当时是新的)引力理论的背景下:广义相对论。爱因斯坦认为,空间的曲率决定了未来宇宙中物质和能量的行为,物质和能量的存在决定了空间的曲率。

    好吧,差不多了。物质和能量的存在几乎完全决定了空间的曲率,但我们可以自由地给空间本身添加一个常数。这个常数,不管是什么,都代表空间的真空零点能(Zero-Point Energy)。当我们发现膨胀的宇宙时,这个常数完全不必要,因此被丢弃了60多年。

    • 图注:今天,费曼图被用于计算跨越强、弱和电磁力的所有基本相互作用,包括在高能和低温/凝聚条件下。如图所示,它们不仅适用于进入和离开相互作用的粒子,也适用于量子真空。

    真空零点能的概念第二次出现是在量子场论崭露头角的时候。除了粒子通过渗透宇宙的量子场相互作用的所有方式之外,还有“真空”贡献,这代表了空间真空中量子场的行为。

    各个途径为我们所谓的这些领域的“真空期望值”做出了巨大贡献,通常比观测极限大约120个数量级,但有些是积极的,有些是消极的;还证明了某些场论与自由论完全相同(其真空期望值为零),因此我们再次假设真空零点能量为零。

    • 图注:宇宙的膨胀是加速还是减速,不仅取决于宇宙的能量密度(ρ),而且还取决于各种能量成分的压力(p)。对于暗能量这种压力很大且为负的物质,宇宙会随着时间的推移而加速,而不是减速。这首先由超新星的结果所表明,但后来被大规模的结构测量、宇宙微波背景以及其他测量宇宙的独立方法所证实。

    然后,在20世纪末,不可思议的事情发生了。我们一直认为宇宙在膨胀,引力在减缓膨胀,或者:

    • 引力会赢,膨胀会逆转,

    • 膨胀将获胜,并将永远继续放缓,

    • 或者它们会精确地平衡,展开会逐渐趋于零,但永远不会完全反转。

    但后来我们发现,宇宙的膨胀丝毫没有减缓,随着时间的推移,遥远的星系正越来越快地远离我们。宇宙中不仅有物质和辐射,而且似乎有一种新的能量形式:我们现在称之为暗能量。自首次发现以来的22年中,不仅有许多证据证实了暗能量,而且已证明它与宇宙常数之间没有很大的区别。

    • 图注:蓝色“阴影”表示在过去和将来暗能量密度如何变化的不确定性。数据指向真正的宇宙学“常数”,但其他可能性仍然允许。 重要的是,暗能量成为唯一重要的术语。膨胀率随着时间的推移而下降,但现在将逐渐增加到约55 km / s / Mpc。

    这就是为什么我们关心空间的真空零点能。来自许多证据的观测——包括宇宙微波背景、遥远的光源(如超新星)以及宇宙中星系的聚集——都指向宇宙中暗能量量的同样微小的非零值。它似乎是空间本身固有的一种能量形式,它似乎不随时间而改变,它似乎在宇宙各处密度都是恒定的,我们不知道是什么原因造成这样。

    这就是为什么我们有如此强烈的动机去尝试和理解空间的真空零点能是什么:正是因为我们测量了依赖于它的宇宙膨胀,与这个量的零值不一致。正如氢原子对其基态具有有限的能量一样,空白空间本身的基态能量也必须如此。

    • 图注:现代暗能量被视为膨胀宇宙中能量的另一个组成部分,而不是加入宇宙常数。这个方程的广义形式清楚地表明了一个静止的宇宙不存在,并且有助于直观地看到增加宇宙常数和包含广义暗能量之间的区别。

    这就引出了一个大问题:为什么?为什么空间的真空零点能量就是它的值?有许多似是而非的答案,但它们中的每一个在某种程度上都不令人满意。

    可能是广义相对论的宇宙常数只是具有它所具有的正值。它允许它承担任何值,我们观察到的一切与自热大爆炸开始以来具有小、恒定和正值的空间的零点能量是一致的。这很有吸引力,因为它不需要调用任何新的物理场:我们可以通过设置一个自由参数等于正确的观测值,来解释我们观察到的东西。但它还是令人不满意,因为没有任何机制或推理来帮助我们理解它为什么具有的正值。

    • 图注显示量子真空中虚拟粒子的量子场论计算可视化。(特别是,对于强相互作用)即使在空白空间,这种真空能量为非零,从空间曲率不同的观察者的角度来看,弯曲空间中一个区域的“基态”看起来也不同。只要量子场存在,这个真空能(或宇宙常数)就必须存在。

    另一方面,可能是渗透到宇宙中的所有量子场的真空零点能之和等于暗能量所需的观测值。也许,如果我们知道如何正确地计算这个值,我们就会得到正确的答案。

    这种情况的问题是我们不知道如何进行此计算,我们所有的尝试都给了我们一个答非常大值。有可能会发生一个近乎完美的情况发生,导致我们得出正确的值,但这是一个艰难的命题下注。这并不是一个令人信服的思路。

    但总有一些“新奇的物理”场景需要考虑。可能没有宇宙学常数,也没有我们所知道的量子场对真空零点能的贡献。我们可以假设宇宙中有一种新的场,它可以是:

    • 任何量子引力理论的贡献都正确,
    • 宇宙早期对称性破坏的遗留物(从大统一尺度、希格斯尺度、中微子区等),简单地将真空零点能设为当前的非零值,
    • 有一个残余的能量,从我们早期的膨胀时期到现在还没有完全归零,
    • 或者说,弦景观(string landscape)这个高度投机的概念,本身就需要对宇宙在大爆炸前的行为做出许多未经证实的、无证据的假设,只是“落在我们今天看到的值上”,即真空空间的零点能(或真空期望值)的值。

    在没有解决办法的情况下,所有的可能性——无论它们看起来多么缺乏动力——都应该加以考虑。

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    • 图注:从根本上讲,即使是纯净的空白空间也仍然充满量子场,这会影响空间真空零点能的值。在我们知道如何执行此计算之前,我们必须对得出的值进行假设,或承认我们不知道如何执行此计算。

    但不管真空零点能之谜的答案是什么,有两个事实我们不能否认。第一个是暗能量是真实的,有大量独立的证据证明我们的宇宙不能没有暗能量。暗能量的行为方式与空间具有非零、恒定的真空零点能不可区分。

    第二个事实是,不管解决方案是什么,我们仍然必须考虑到量子场的存在——这是由物理定律所决定——渗透到我们的宇宙中。在我们知道如何计算这个值之前,任何提出的解决方案,都要求我们对这个值做一个没有根据的假设。真空零点能与0能量不一样,这个非零值有许多可能的起源,但其最终原因仍然是个谜。

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