暗能量的背後是什麼–以及它與愛因斯坦提出的宇宙學常數有什麼聯繫？來自盧森堡大學的兩位物理學家為回答這些開放的物理學問題指明了方向。宇宙有許多奇怪的特性，以日常經驗很難理解。例如，我們所知道的物質，由基本粒子和復合粒子構成的分子和材料，顯然只佔宇宙能量的一小部分。最大的貢獻，大約三分之二，來自於”暗能量”–一種假設的能量形式。

物理學家提出了對暗能量的新解釋。它可以闡明量子場理論和廣義相對論之間的相互聯繫，作為對宇宙及其元素的兩種觀點。

學術界仍在對其背景感到困惑。此外，宇宙不僅在穩定地膨脹，而且還在以越來越快的速度膨脹。

這兩個特點似乎都有聯繫，因為暗能量也被認為是加速膨脹的驅動力。此外，它可以重新整合兩個強大的物理學派：量子場理論和愛因斯坦提出的廣義相對論。但是有一個問題：迄今為止，計算和觀測結果遠遠不匹配。現在，來自盧森堡的兩位研究人員在《物理評論快報》雜誌上發表的一篇論文中，展示了解決這個百年之謎的新方法。

真空中的虛擬粒子的踪跡

“真空有能量。這是量子場理論的一個基本結果，”盧森堡大學物理和材料科學系理論物理學教授亞歷山大-特卡琴科教授解釋說。這一理論的發展是為了將量子力學和狹義相對論結合起來，但量子場理論似乎與廣義相對論不相容。它的基本特徵是：與量子力學相反，該理論不僅將粒子，而且將無物質場視為量子對象。

特卡琴科說：”在這個框架內，許多研究人員將暗能量視為所謂的真空能量的一種表達方式。這種物理量以一種生動的形象，是由成對的粒子及其反粒子–如電子和正電子–在實際上是空的空間中不斷出現和相互作用造成的。”

普朗克看到的宇宙微波背景資料來源：歐空局和普朗克合作組織

物理學家將這種虛擬粒子及其量子場的來往說成是真空或零點波動。雖然粒子對很快又消失在虛無中，但它們的存在留下了一定的能量。

科學家指出：”這種真空能量在廣義相對論中也有意義。它表現為愛因斯坦出於物理原因而將宇宙學常數納入他的方程。”

一個巨大的不匹配

與只能從量子場理論的公式中推導出的真空能不同，宇宙學常數可以通過天體物理學實驗直接確定。用哈勃太空望遠鏡和普朗克太空任務進行的測量已經為這個基本的物理量得出了接近和可靠的數值。另一方面，在量子場理論的基礎上對暗能量進行計算，得出的結果相當於宇宙學常數的數值大了10120倍–這是一個巨大的差異，儘管在當今流行的物理學家的世界觀中，兩個數值應該是相等的。所發現的差異反而被稱為”宇宙學常數之謎”。這無疑是現代科學中最大的不一致之處。

非常規的解釋方式

他與他在盧森堡的研究同事德米特里-費多羅夫博士一起，現在使這個已經開放了幾十年的謎題的解決方案更近了一大步。在一項理論工作中，這兩位盧森堡研究人員提出了對暗能量的新解釋，他們最近在《物理評論快報》上發表了這一結果。它假設零點波動導致了真空的可偏振性，這種可偏振性既可以測量也可以計算。

特卡琴科解釋說：”在具有相反電荷的虛擬粒子對中，它產生於這些粒子在其極短的存在期間對彼此施加的電動力量，物理學家們把這稱為真空自我作用。”這位盧森堡科學家說：”它導致了一個能量密度，可以在一個新模型的幫助下確定。”

與他的研究同事費多羅夫一起，他們在幾年前開發了原子的基本模型，並在2018年首次提出了它。該模型最初用於描述原子特性，特別是原子的偏振性與某些非共價鍵分子和固體的平衡特性之間的關係。由於幾何特徵在實驗中相當容易測量，因此也可以通過其公式確定極化性。

最後一步是通過量子力學計算電子和正電子的波動之間的自我作用的能量密度。以這種方式獲得的結果與宇宙學常數的測量值很一致。這意味著暗能量可以追溯到量子場的自我相互作用的能量密度。

一致的數值和可驗證的預測

“因此，我們的工作為解決宇宙學常數之謎提供了一種優雅而非傳統的方法，”這位物理學家總結道。”此外，它還提供了一個可驗證的預測：即量子場，如電子和正電子的量子場，確實擁有一個小而永遠存在的內在極化。”

這兩位盧森堡研究人員說，這一發現為未來在實驗室檢測這種極化的實驗指明了方向。”我們的目標是從嚴格的量子理論方法中得出宇宙學常數，”德米特里-費多羅夫強調說。”而我們的工作包含瞭如何實現這一目標的秘訣”。

他認為與特卡琴科一起獲得的新結果是朝著更好地理解暗能量–及其與愛因斯坦的宇宙學常數的聯繫所邁出的第一步。

“最終，這也可以闡明量子場理論和廣義相對論作為觀察宇宙及其組成部分的兩種方式的交織方式。”