进入真空：真空有多重？哪里有什么？

心已赠人 2023-01-05 03:51 185阅读 0赞

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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。

第五维应该没有什么不同，但是可能在因果范围内与其他维度相关。这给量子物理学地预设设定了一个硬性的限制（无论是高能量还是紫外线，还是长波或红外线）。

事实上，很可能第五维的范围与其他维度的范围相等，因此我们可以用同样的方式来解释巧合问题，就像微调问题一样，甚至不用求助于全息原理，不是从一维到二维，而是从一维到四维。

第五维限定了真空能量密度的大小，其长度尺度类似于基于全息原理的论证。然而，量子场论被修正，限制了随机量子化的长度尺度，而量子场论的全息原理仍然与量子场论相矛盾。

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确切的说，第五维的本质是什么，以及其与当前宇宙学的关系仍然是开放的研究领域。例如，Liu和Wesson探索了一个令人信服的论点，即第五维和时间结合在一起创造了一种冲击波，这是宇宙向第五维扩展的长度尺度。如果是这样的话，那么第五维的大小肯定会和其他维的大小一样。

虽然，爱因斯坦的五维方程还有其他解，但只要有了这个，就可以为整个宇宙场地随机量子化以产生测量到的暗能量提供有力的理由。

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