研究揭示量子真空能驱动宇宙加速膨胀

加拿大不列颠哥伦比亚大学的物理学家可能已经解决了当前宇宙学中最大的难题之一:是什么导致宇宙膨胀得更快？

研究小组试图解决量子力学和爱因斯坦广义相对论之间的不相容性，并解释宇宙常数问题和暗能量问题。相关结果最近发表在《物理评论D》上，并被选为编辑推荐。该杂志的评论者认为这篇文章“提出了一种解决宇宙常数问题的新方法”，并且包含了“具有重要影响的原创观点”。

新的研究得出结论，如果我们扩大人们生活的空间，我们将会看到空间和时间持续而猛烈地膨胀和收缩。"时间和空间并不像看上去那样静止，它们在不断地移动."文章的主要作者，不列颠哥伦比亚大学的中国学生王博士说。

1998年，天文学家发现宇宙在加速膨胀，这表明宇宙真空不是空的，宇宙膨胀有一个驱动力——物质暗能量占整个宇宙的68.3%。

暗能量最自然的候选者是物质场的真空能量。当物理学家将量子力学应用于真空能量的计算时，他们发现了难以置信的高密度真空能量。爱因斯坦的广义相对论表明，如此巨大的能量将导致强大的引力效应，大多数物理学家认为，这将导致整个宇宙以难以想象的速度膨胀。

然而，目前宇宙的膨胀速度非常慢，比物理学家预测的要小50到120个数量级。这给基础物理学带来了一个大问题:结合现代物理学的两个基石——量子力学和广义相对论——所做的预测比实际观测值小10120倍。弦理论创始人之一、斯坦福大学教授李奥纳特·苏士侃称之为“物理学史上最糟糕的预测”。菲尔兹奖获得者、普林斯顿高等研究院教授爱德华·威滕认为，这个问题是“基础物理学发展的最大障碍之一”。诺贝尔物理学奖得主史蒂芬·温伯格认为，这是基础物理学中的一场真正的危机。

物理学家已经做了很多努力，或者试图修改量子力学理论以尽可能降低真空能量的值，或者修改广义相对论以使巨大的真空能量不产生引力效应。王和他的导师，该校的物理学和天文学教授威廉·g·安鲁，以及另一名博士生，提出了一个全新的解决方案。他们认真对待量子力学预测的巨大真空能量，并相信它确实遵循了广义相对论的等效原理。在研究中，他们发现以前的计算忽略了真空能量的一些重要性质。

一旦这些被忽略的重要性质被考虑进去，量子真空的引力效应将会与人们以前所想的大不相同。这种差异的结果是，尽管真空能量非常大，宇宙作为一个整体仍然会以非常小的哈勃常数而不是之前预测的巨大速率膨胀。结果表明，是巨大的量子真空能量推动了宇宙的加速膨胀。人们不需要引入宇宙常数(为了符合观测，这个常数需要精确到小数点后120位)，也不需要引入其他具有强负压的暗能量来解释宇宙的加速膨胀。

他们的计算提供了一个完全不同的宇宙物理图景。在这张新图片中，人们生活的时空每时每刻都在发生巨大的变化。时间和空间的每个点都在剧烈地膨胀和收缩。从宏观上看，这种膨胀和收缩几乎可以完全相互抵消，只有非常微弱的净效应驱动宇宙缓慢加速膨胀。

但是如果时间和空间不断振动，为什么人们感觉不到呢？“这种波动发生在非常小的尺度上，甚至比电子小10，000，000，000倍。”王对说道。

“就像我们看到的波浪。”“尽管组成海洋的每个原子都在高速运动，但它并不影响海浪的传播，”安格鲁说。