截至2022年,物理學難以突破,天空中的烏雲還有62種,純理論28種

1900年,英國物理學家威廉•湯姆生發表了題為「在熱和光動力理論上空的19世紀烏雲」的演講。此時此刻的物理學家們似乎認為物理學的大廈已經建立起來了,剩下的工作就是些縫縫補補的打雜活。

威廉•湯姆生

但是這兩朵烏雲毫無消散的意願,一個是黑體輻射問題,一個是光速問題。以現代時空觀角度來看,正是這兩朵在當時看起來不怎麼重要的烏雲卻徹底將物理學的大廈推倒,重新構建起來了。黑體輻射問題的解決造就了量子力學,光速問題的解決造就了相對論。

量子力學和相對論的建立已經過去了一個世紀。這一百年內,再也沒有出現類似量子力學和相對論這樣劃時代的物理理論的出現。然而現代物理學天空上的烏雲數量遠超19世紀。或許下一場物理學的革命就蘊藏在這些烏雲裡。所以我將開設一個新的專題,持續更新十幾期現代物理學烏雲的內容。現代物理學烏雲大致分為62種,純理論方面的烏雲28種,有科學解釋,但是缺乏合理證據的烏雲有34種。

我計畫將一些比較迫切,且可能造成物理學重大突破的烏雲單獨列出來做一系列內容。

本期內容的主題先從最迫切解決的真空災變開始

前面有一期內容科普過真空非空的概念。在量子力學中,即便在空間中移除掉所有物質,真空中依然會殘留一部分能量,這部分能量就是零點能量。在空無一物的真空中,零點能量可以變成真空能量。

按照量子場論的估計,真空的零點能密度為10∧121GeV/m³但是從旅行者探測衛星測量到資料分析,真空能量密度的上限是10∧14Gev/m³

理論預測和測量到的真空能量密度數值居然相差了107個數量級。所以量子場論預測的真空能量密度也被稱為物理學史上最差勁的預測。如果僅相差一個數量級,我們還能懷疑測量資料可能存在誤差。數量級差距如此巨大,基本上將問題的矛盾直指量子場論。所以我們不得不懷疑量子場論存在重大漏洞。

咱們先看看量子場論是怎麼預測真空能量的

真空不空且具有能量,主要是是因為真空中總會憑空出現正反粒子對,正反粒子對的能量是向真空借的,暫時會打破能量守恆定律,然後憑空出現的正反粒子對會馬上湮滅,又將能量還給真空。

從巨觀上來看,能量守恆定律是成立的。按照海森堡的不確定性原理,微觀粒子的位置和動量不可能同時精確測量出來,粒子動量測得越精准,位置越不准。真空中憑空出現正反粒子可以稱為虛粒子,虛粒子也符合不確定性原理。這些虛粒子消失得越快,意味著位置變化越小,位置精確度越高,動量就越大,所以能量也就越大。

如果虛粒子存在的時間接近無限小,那麼能量就無限大,這和事實不符。所以虛粒子存在的時間不能無限小,必須有個限定值,虛粒子存在的時間底限可以取普朗克時間。問題是,一旦將普朗克時間作為虛粒子存在的時間下限時,計算出真空能量密度會比觀測值高出整整107個數量級。

現在只能有三種解釋

第一:量子場論需要重新修訂。

第二:觀測方式有誤,但是這種可能性基本上可以排除。

第三:需要引入新的理論解釋,或者存在未知的物理機制抵消了理論和觀測之間的巨大差值。這個差值得解決可能要引入量子引力理論。但是量子引力理論自身也是物理學仍未解決的一朵烏雲。

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