未解问题与前沿
宇宙学常数问题
空无一物的空间并非真的空。量子理论说真空里时刻嘶嘶作响、冒着虚粒子,这种永不止息的活动应当带有能量——一份属于空间本身的能量。爱因斯坦的方程说,任何均匀填满空间的能量都会表现得像一个宇宙学常数,对整个宇宙施加一份均匀的推或拉。宇宙学常数问题,就是我们的理论预言的真空能有多大、与宇宙实际含有的真空能有多大,这两者之间那令人瞠目的不匹配。
当物理学家把量子真空所期望的能量加起来时,自然的估算大得离谱——它本应把空间扭曲得如此剧烈,以至于宇宙早就该把自己撕碎、或者卷成一团。可天文学家测出的真实数值,由宇宙膨胀那温和的加速所揭示,却小得惊人、但并不为零。天真的预言与实测之间的差距,大约是一个带 120 个零的数——约莫大了十的一百二十次方倍。这常被人半开玩笑地说成是物理学史上最糟糕的定量预言。
让它如此令人抓狂的地方在于:那个数值不只是小,而是小却不恰好为零,这就掐灭了那个轻松的指望——指望某种未知的对称性干脆把真空能完全关掉。实测值反倒几乎恰好大到足以对今天的宇宙起作用,仿佛被精细调节过。这是自然性谜题最深的版本,立在粒子物理、引力与宇宙学的十字路口——它与暗能量密不可分,而一个真正的解答很可能需要理解量子引力。目前尚无被普遍接受的解释。
拿量子理论对真空能最简单的估算,去与天文学家实际测到的数值相比:理论高估了一个后面大约带 120 个零的倍数。任何一门科学里,几乎没有哪个失配能与之相提并论。
预言的真空能与实测的真空能相差约 10 的 120 次方倍——物理学中最大的失配。
正因为那个数值小却不为零,问题才更尖锐:一种把真空能严格设为零的对称性,无法与观测到的加速膨胀相符。宇宙学常数与暗能量紧密相连,但二者背后的根本原因都仍是未知的。
又称
另见