进入真空：真空有多重？哪里有什么？

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摘要：全文共2366字，预计学习时长6分钟 图源：unsplash 在我们的宇宙中，“虚无”是不存在的，是我们无法体验的东西。即使是空无一物的空间，宇宙最遥远的地方，也有能量。我们能意识到

全文共2366字，预计学习时长6分钟

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在我们的宇宙中，“虚无”是不存在的，是我们无法体验的东西。即使是空无一物的空间，宇宙最遥远的地方，也有能量。我们能意识到的只有真空，也就是我们所了解的任何粒子或场的缺失。然而，真空是有能量的。

海森堡的测不准原理告诉我们时间与真空是彼此的对偶。对事件的衡量更确定，对能量的把握就更不确定，反之亦然。因此，真空区域的能量不可能为零，因为零是一个精确值。

的确，虽然真空中的电场和磁场平均值为零，但它们的平方和——能量，不为零。这种能量有时被称为零点能量，虚粒子，或量子涨落。理论上具有无限的密度。对大多数量子物理学来说，真空的能量不是大问题，只有能量物质发生了变化。但引力对所有的能量都有反应，包括真空的无限密度。

如果真的如此，真空的引力应该比其他任何东西都大得多。所以，这并不是真的。真空看起来几乎没有引力。在某种程度上，暗能量比拥有巨大的引力或是零引力还要奇怪。虽然量子场论可以很容易地修改以适应其中任何一种解释，但是对一个理论这样修改去适应并不是一个多大的壮举。

事实上，暗能量与宇宙中物质的数量（暗物质+重子物质）是同一个数量级的。这相当巧合，这是为什么被称为巧合问题的原因，也是宇宙中最大的未解之谜之一。

当然，也有可能真空不具有任何引力和暗能量也没有任何关系，这在笔者眼里更不可能。无论暗能量是什么，由于巧合问题，暗能量肯定与物质以及物质受到的作用力有关，或者与物质有共同的形成原因。

一个令人信服的解释来自于全息原理，该原理认为，真空的能量与宇宙中某些连通区域的表面积有关，例如可能与真空自身的纠缠能有关，纠缠能不是总能量的度量，而是关联中得到的能量。

更困难的问题被称为微调问题，该问题处理的是：为什么真空的重量几乎为零。全息原理生成这个问题很容易解决，它的论点很巧妙，即我们的宇宙不应该有比一个同样大小的黑洞更大的能量密度。事实证明，一个宇宙大小的黑洞在暗能量下所观察到的东西周围有能量密度。

虽然这个论点很聪明，但是并不能很好地与现在的量子场论联系起来，目前量子场论仍认为，真空的能量密度特别大。避免处理这一问题的方法是完全避免真空的能量涨落。

理查德费曼试图用他发明的费曼图做到这一点，结果却发现并未能消除涨落的影响，相反，将其显示为没有输入或输出的鼓励循环。这些循环在量子物理中随处可见。

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我们可以通过向宇宙中添加第五维摆脱真空循环。量子场论可以建立在这个五维宇宙之上，通过一种20世纪60到80年代发展起来的随机量子化的方法。在这种情况下，真空循环是第五维上统计平均的结果。

也就是说，这种能量涨落本质上并不存在，相反是关于第五维粒子是否存在的统计不确定性的结果。在一些地方存在，在另一些地方不存在，但在任何地方都有可衡量的影响。

纯真空循环是粒子不与特定的或被测量的粒子相互作用的结果。它们和已知物质完全隔离，在五维理论中，这意味着这些粒子在五维宇宙中与我们不同的部分。

如果是这样的话，暗能量的问题比我们想的可能要简单得多。可能仅仅是统计上不确定粒子的结果，也就是说，暗能量是来自真实粒子相互作用的能量，但这些相互作用没有与我们在第五维的部分相交，因此不可见，可是它具有一个可测量的引力效应。

因此，量子场的无限密度是一个假设错误条件的结果，也就是说，所有可能的场构型都存在。对于大多数实际用途来说，这个假设很合理。事实上，统计物理的层面上它一直存在，即使在由热力学所产生的普通统计力学中。然而在宇宙学尺度上，该假设不成立的。就宇宙学的实际用途而言，时间与空间都是有限的。

同样，在第五维宇宙中，第五维也是有限的。

我们知道，即使所有的维度都是无限的，它们对我们的影响似乎是有限的。时间和三维空间在因果关系方面有限制。在时间方面，让我们回到大爆炸。以太空为例，我们距离可观测宇宙的边缘有460亿光年之遥，由于宇宙的膨胀，即使在无限长的时间之后，可观测到的宇宙仍然保持有限，这具有因果关系。

文章来源：《真空与低温》 网址: http://www.zkydw.cn/zonghexinwen/2022/0114/525.html

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