对于宇宙的起源，这是所有人类文明都很关心的问题。在过去一个世纪，宇宙学有了飞跃的发展。这主要得力于天文观察技术的大幅进步，提供了大量的数据。另一方面，科学家们又建立了一些可以量化的理论模型。现在的宇宙学主要应用的，一个是粒子物理的标准模型（ Standard Model of particle physics ），另一个就是广义相对论。 1.目前的宇宙学与相对论对于真空有不同的假设 不过，现在的宇宙学与相对论之间在概念上并非完全一致。例如在 Alan Guth ( 阿兰 · 古斯 ) 的暴胀理论里，宇宙膨胀的动力来源主要是用广义相对论来解释 。但他这个理论的假设与相对论对于 “ 真空 ” 的看法又有着一些分歧。在目前的宇宙学里面，它的基本假设是宇宙中的能量和物质来自“真空”中的量子扰动（ quantum fluctuation ）。 “ 真空 ” 只是一个“场”的基态。它并非空无一物的，而是具有很特殊的物理性质。（详细的介绍请看我的上一篇博文《了解宇宙起源的关键：真空是什么？》 Link ： http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=226454do=blogid=1067514 ）。这种 “ 真空非空 ” 的概念会与相对论产生矛盾。相对论的第一假设（ 1 st postulate ）就是 “ 相对性原理 principle of relativity” 。就相对论而言， “ 真空 ” 应该是空的。否则它就会形成一个宇宙中的静止参照体系（ resting frame ），我们在理论上就可以量到所有惯性系相对于这个静止参考系的运动。这样一来，相对论的第一假设（即所有的惯性系都是相等的）就会被打破。 有人可能说，目前宇宙学用的是广义相对论，而非狭义相对论。但是，广义相对论和狭义相对论的基本假设应该是一致的，因为前者必须建立在后者的理论基础上。所以，广义相对论也不可能违背狭义相对论的第一假设。 对于“真空”是否是空的这个问题，爱因斯坦并没有很清楚地表态。他关于 “ 以太 ” 的看法是曾有些反复的。在 1905 年当他首先 提出狭义相对论的时候，爱因斯坦是明显地认为 “ 以太 ” 并不存在。可是到他提出广义相对论时，他对于 “ 真空 ” 的看法已经有所改变。 1920 年爱因斯坦在 Leiden 大学给过一篇 “ 以太与相对论 ” 的演讲。在其中，他就公开表明不能否定 “ 以太 ” 的存在。而且，他认为把 “ 真空 ” 当做一个空无一物的空间是不符合力学的基本事实 。他认为在广义相对论里面，空间是有某种物理性质的。因此可以把它当作一种新的 “ 以太 ” 。 。不过，他认为这种新的 “ 以太 ” 与旧的 “ 以太 ” 观念有别，它并非一种有质量的运动介质，因此它不会形成一个静止的参考系。所以，这种新的 “ 以太 ” 不会否定他的狭义相对论的第一假设。 2.目前的证据能否说明宇宙是否有一个静止的参考系？ 从以上的讨论可见，现在争论的焦点已经不限于 “ 真空”是否是空的，而是我们能不能从实验上证明宇宙有或者没有一个静止的参考系？ 爱因斯坦提出狭义相对论是基于迈克耳孙－莫雷实验 （ Michelson-Morley experiment ）。让我们重新来看看 这个实验是否证明了宇宙中没有静止参考系。该实验原来的设计，只是要检验：假如光是由一种叫 “ 以太 ” （ aether ）的介质传播的话，我们能不能观察到 “ 以太 ” 这种物质与地球的相对运动。实验的结果是否定的（ null ）；也就是说，实验无法观察到 “ 以太 ” 与地球的相对运动；光的传导在任何一个惯性系里都是一样的。这个结果完全符合了爱因斯坦提出的相对性原理。但是迈克耳孙－莫雷实验只观察了光（或者电磁波）的传播，而不是对于所有物理运动的观察。因此，这个实验只能说明光的传递符合了相对性原理，而并不能说明除了光的传递以外，其它的物理相互作用（例如重力，核力等等）也都符合相对性原理。所以，迈克耳孙－莫雷实验并没有直接地证明宇宙中没有一个静止的惯性系。这个实验当然也无法检验 “ 真空 ” 是否真的是空的。 当然， “ 以太 ” 理论在 20 世纪初被抛弃不仅仅是因为迈克耳孙－莫雷实验的结果。它还有一些别的原因，包括 “ 以太 ” 理论难以解释星体何以能够毫无阻力地穿透这种介质。而且，这种假设的 “ 以太 ” 介质有些相互矛盾的物理特性。在 19 世纪的时候， “ 以太 ” 是假设存在于所有物质以外的空间。要满足这个条件， “ 以太 ” 就必须是一种具备高度流动性的物质（气体或者液体）。但是， “ 以太 ” 又被假设为光的传递介质，但光是一种高频率的横波，只有固态的介质才能传递这样的波。这样 “ 以太 ” 就必须是固态的。这与前面的要求相反。 那么，现代的物理学提出了 “ 真空 ” 非空的假设，它是否也会碰到 19 世纪 “ 以太 ” 面对的难题呢？答案是否定的。现在的 “ 真空 ” 概念与 “ 以太 ” 有些根本的不同。首先， “ 真空 ” 是充塞着整个宇宙而非只是存在于物质以外的空间。其次，构成物质的原子是由基本粒子组成的。而粒子只是 “ 真空 ” 的激发波。因此，物质在 “ 真空 ” 中运动不会感受到阻力。 严格来说，迈克耳孙－莫雷的实验结果并没有否定真空介质的存在。爱因斯坦 1905 年提出的相对论文章大量使用了麦克斯韦的电磁学理论 。我在上一篇博文中已经指出，麦克斯韦理论假设了 “ 真空 ” 是一种电介质（ dielectric medium ）。因此爱因斯坦可以说已经间接地接受了这种假设。事实上，迈克耳孙－莫雷的实验结果也没有直接违背 “ 真空 ” 是一种电介质的假设。因为根据麦克斯韦方程导出的光的运动方程为 . 这个方程是符合洛仑兹协变的（ Lorentz covariant ）。这就是说，如果把方程中使用的时间和空间从一个坐标系 (x, y, z, t) 用洛仑兹转换（ Lorentz transformation ）转换到另外一个坐标系 (x’, y’, z’, t’) ，光的传导方程看上去是不变的。因此，迈克耳孙－莫雷实验只是证明了光的传导是洛仑兹协变的，而并没有说明 “ 真空 ” 是不是空的。 3.宇宙微波背景辐射（CMB）可否作为一个静止参考系？ 在今天，我们对于宇宙的观测要远比爱因斯坦时候深入得多。在最近几十年，许多关于宇宙起源的观测都是从分析宇宙微波背景辐射（ Cosmic Microwave Background ，简称 CMB ）而来。在二十世纪 60 年代，美国贝尔实验室的彭齐亚斯（ Arno Penzias ）和威尔逊（ Robert Wilson ）在偶然间发现了宇宙微波背景辐射。许多物理学家认为 CMB 是宇宙大爆炸后遗留下来的辐射波，它可以为我们研究早期的宇宙提供许多宝贵的信息。因此，科学家用各种各样的实验手段来观察 CMB 。除了一些地面的观察以外，还进行了三个卫星观测计划，即 COBE （ Cosmic Background Explorer, 宇宙背景探测卫星， 1989-1993 ）， WMAP （ Wilkinson Microwave Anisotropy Probe ，威尔金森微波各向异性探测器， 2001-2010 ）和 Planck （普朗克卫星， 2009-2013 ），搜集了大量的数据。根据科学家的分析，这种宇宙微波背景辐射有着非常均匀的空间分布，它与我们观察得到的宇宙物质分布也大致吻合。这就提供了一个可能性：这种宇宙微波背景辐射可不可以作为我们宇宙的一个静止参考系？ 根据现在的卫星观测，我们可以准确地量度到地球与 CMB 的相对运动，甚至可以计算出地球相对于 CMB 运动的速度约为 3.7x10 5 m/s 。主持 COBE 项目的物理学家乔治 · 斯穆特（ George Smoot ）就因为这项研究 CMB 的工作而获得 2006 年的诺贝尔奖。在他获颁诺贝尔奖的演讲中，他就提到过 CMB 作为一个静止参考系的可能性 。他认为 CMB 是一个很方便理解宇宙膨胀的惯性系。可以把 CMB 的观测当为一种新的 “ 以太 ” 漂移实验。因此，如果有人要把 CMB 的分布当作一个静止参考系，也是可以理解的。不过他自己并不认为 CMB 的存在会直接违背狭义相对论。 4.我们需要设计一个新的实验来解决宇宙学与相对论之间的分歧 根据上面的讨论可知，目前的宇宙学理论与相对论的基本假设有着一些重要的分歧。我们需要设计一个新的实验来检验究竟我们这个宇宙有没有一个静止的参考系。在目的上，这个实验和一百多年前的迈克耳孙－莫雷实验很相似。但是，其使用的手段会大大不同。事实上，迈克耳孙－莫雷实验有一个局限：它使用光来检测不同惯性系的物理运动。不过，光是一种特殊的粒子：它没有静止质量，它的速度永远是 c 。如果我们要检测 “ 真空 ” 是否有一个静止参考系的话，我们应该用有静止质量、其运动速度不必等于 c 的普通粒子来做实验。 那么，这个实验要怎么做呢？最近我在 European Physical Journal ( 欧洲物理杂志 ) 上发表了一篇文章，为这个实验提出了一个设计 。这篇文章得到欧洲物理学界蛮多的重视。今年 3 月，欧洲物理杂志的出版社（ Springer Nature ）把这篇文章作为重点推介（ highlight ）（ Link ： http://www.epj.org/epjplus-news/1218-epjplus-highlight-does-the-universe-have-a-rest-frame ）。在今年 6 月，欧洲物理新闻（ Europhysics News ）又再次把这篇文章选为重点介绍（ Link ： http://epn.eps.org/EPN%2048-3#p=9 ）。如果读者对这篇文章有兴趣，可以点击下面的链接： https://link.springer.com/article/10.1140/epjp/i2017-11402-4 。 我十分希望这个实验能够由中国人自己来做。有兴趣的朋友请跟我联络。 ------------------------------------------------------------------------------ 注 1 ：爱因斯坦 1920 年在 Leiden 大学演讲的摘要： “ To deny the ether is ultimately to assume that empty space has no physical qualities whatever. The fundamental facts of mechanics do not harmonize with this view. … besides observable objects, another thing, which is not perceptible, must be looked upon as real, to enable acceleration or rotation to be looked upon as something real.…the conception of the ether has again acquired an intelligible contental though this content differs widely from that of the ether of the mechanical undulatory theory of light. The ether of the general theory of relativity is a medium which is itself devoid of all mechanical and kinematical qualities, but helps to determine mechanical (and electromagnetic) events.…Recapitulating, we may say that according to the general theory of relativity space is endowed with physical qualities; in this sense, therefore, there exists an ether.According to the general theory of relativity space without ether is unthinkable; for in such space there not only would be no propagation of light,but also no possibility of existence for standards of space and time(measuring-rods and clocks), nor therefore any space-time intervals in the physical sense. But this ether may not be thought of as endowed with the quality characteristic of ponderable media, as consisting of parts which may betracked through time. The idea of motion may not be applied to it .” 注 2 ： 乔治 · 斯穆特 2006 年获颁诺贝尔物理学奖时演讲的摘要： “ One problem to overcome was the strong prejudice of good scientists who learned the lesson of the Michelson and Morley experiment and special relativity that there were no preferred frames of reference. There was an education job to convince them that this did not violate special relativity but did find a frame in which the expansion of the universe looked particularly simple. More modern efforts to find violations of special relativity look to this reference frame as the natural frame that would be special so that perhaps the suspicions were not fully unfounded. We had to change the name to “the new aether drift experiment”and present careful arguments as the title “aether drift experiment” was too reminiscent of the Michelson and morley ether drift experiment.” 参考文献： A. H. Guth and D. I. Kaiser, Inflationary cosmology: Exploring the universe from the smallest to the largest scales. Science, vol. 307, (5711), pp.884-890, 2005. A. Einstein, Ether and the theory of relativity (speech at Univ. of Leiden, May 5, 1920). From: The Collected Papers of Albert Einstein, the Swiss Years:Writings, 1918-1921, Vol. 7, Translated by Alfred Engel , Ed. M. Janssen et al , Princeton Univ. Press, 2002. A. A. Michelson and E. W. Morley, On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether. American J. of Science, vol. 34, pp. 333-345, 1887. D. C. Chang, Why energy and mass can be converted between each other? A new perspective based on a matter wave model. J. Mod. Phys., vol. 7, (04), pp. 395-403, 2016. A. Einstein, Zur elektrodynamik bewegter krper. Ann. Physik, vol. 322, (10), pp. 891-921, 1905. A. Kogut and et al., Dipole anisotropy in the COBE differential microwave radiometers first-year sky maps. Astrophys. J., vol. 419, (1), 1993. G. Hinshaw and et al., Five-year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe observations: Data processing, sky maps, and basic results. Astrophys. J. Supp. Series, vol. 180, (2), pp.225-245, 2009. G. F. Smoot, Nobel Lecture: Cosmic microwave background radiation anisotropies: Their discovery and utilization. Rev. Mod. Phys., vol. 79, (4), pp.1349-1379, 2007. D. C. Chang, Is there a resting frame in the universe? A proposed experimental test based on a precise measurement of particle mass. Eur. Phys. J. Plus, vol.132, (3), 140, 2017.
在宏观科学里，一个非常重要的问题就是宇宙从何而来。要回答这个问题非常不容易。有许多科学家正在做这个工作。根据目前宇宙学的标准理论（ Standard Model of Cosmology ），宇宙的起源与 “ 真空 ” （ vacuum ）的物理性质有着非常紧密的关系。我们只有了解真空的特性才能真正了解宇宙的起源。 目前对于宇宙起源的了解 在今天，人们可以用非常精微的实验手段来进行天文观测。现在的仪器和技术都十分进步，还可以用卫星在太空中观察。因此，我们对天体的运行以及宇宙中物质与能量的分布已经有相当多的了解。另外，一些近代的理论模型的建立也使得我们对宇宙的起源和发展过程得到一些比较具体的认识。对于宇宙的形成， 当前最广泛使用的模型为大爆炸理论 (Big Bang Theory) 。根据科学家最新的估计，我们的宇宙约在 137.99 ± 0.21 亿年前 诞生 。对于最早期的宇宙有很多不同的猜测。在目前通用的模型中，宇宙诞生初期发生了非常快速的膨胀，在 10 -32 秒内进行了宇宙暴胀 (inflation) 。在此期间宇宙的膨胀是呈指数增长的。当暴胀结束后，宇宙内形成了大量的物质，包括夸克 - 胶子浆（ quark-gluon plasma ），以及其他所有基本粒子 。此时的宇宙仍然非常炽热，粒子与反粒子通过碰撞不断地被产生和湮灭。由于一种尚未清楚的机制，粒子的数量略微超过了反粒子的数量。这一机制导致了当今宇宙中物质的存在远多于反物质 。 随着宇宙的膨胀速度和温度进一步的降低，粒子的能量开始逐渐下降。在宇宙诞生的 10 -11 秒之后，粒子能量已经降低到了目前高能物理实验所能达到的范围。 10 -6 秒之后，夸克和胶子结合形成了诸如质子和中子的重子族 。 在大爆炸发生的几分钟后，宇宙的温度降低到大约 10 9 K 的量级。一些质子和所有的中子结合，组成氘和氦的原子核。而大多数没有与中子结合的质子就形成了氢的原子核。这时候由于温度仍然太高，电子不能够与原子核结合成为原子，只能以电浆体的形式并存。随着宇宙的冷却，在大爆炸约 37.9 万年之后，电子和原子核结合成为原子。这时候，光子再不会受到电浆体的拘束，得以在宇宙空间中通行无阻。科学家认为这个辐射的残迹就形成了今天的宇宙微波背景辐射（简称 CMB ）。 对于大爆炸理论里面的暴胀阶段，目前学界主要采用 1980 年由美国物理学家阿兰 · 古斯首先提出的暴胀模型（ Inflation Model ）来解释 。该模型认为，宇宙的起源来自真空的量子扰动（ Quantum fluctuation of the vacuum ）。在宇宙形成以前，只有一片真空。但这个所谓 “ 真空 ” 并非一无所有的空间，而是有着非常特殊的物理性质。这个真空相当于量子场论里的 “ 基态 ” （ ground state ）。它经常处于一种不稳定的扰动状态。当一处真空的扰动超越于某一个阀值（ threshold ）时 , 它就会迅速地激发出更大的扰动，形成一种正反馈。这种正反馈的机制导致了空间的加速膨胀。根据这个暴胀模型，宇宙暴胀在大爆炸后 10 − 36 秒开始，在短短的 10 − 32 秒之内，宇宙暴胀了 10 25 倍 。暴胀之后，宇宙继续膨胀，但速度则低得多。 真空的性质是什么？ 既然目前的理论认为所有物质与能量都是从真空（ vacuum ）的量子扰动而产生的。那么这个 “ 真空 ” 就不可能是空无一物了。把它称为 “ 真空 ” 显然是用词不当，只能算是一种历史形成的误称。我们也许应该把 “vacuum” 一词翻译为 “ 空间介质 ” 。 在过去两百年，科学家对于 “ 真空 ” 有不少的研究。其认识也很不一致。让我们扼要的回顾一下： (1) “ 以太 ” 学说（ Aether hypothesis ） 在 19 世纪，许多科学家认为电磁场的传导需要一种介质，他们称之为 “aether （以太） ” 。这种介质充塞在所有物质（原子和分子）以外的空间。可是，这种 “ 以太 ” 学说在 20 世纪初就被主流物理学界抛弃了。这是基于以下几个原因：首先， “ 以太 ” 的力学性质有诸多矛盾之处。其次，实验结果并不支持 “ 以太 ” 假说。如果 “ 以太 ” 真的存在，人们可以利用光学干涉仪来测量地球和 “ 以太 ” 的相对运动。有几个不同的团队在 19 世纪末进行了这类实验。其中最著名的就是 1887 年的 迈克耳孙－莫雷实验 （ Michelson-Morley experiment ）。这些实验全都没有测出 “ 以太 ” 和地球的相对运动。最后， “ 以太 ” 假说被认为是不必要的。 1905 年，爱因斯坦发表了著名的狭义相对论，认为只要承认空间和时间的相对性，就可以很容易地解释迈克耳孙－莫雷实验的结果，根本不需要假设 “ 以太 ” 的存在。 (2) 经典电磁学里面的 “ 真空 ” （ Classical Vacuum ） 不过，光干涉仪的实验虽然没有支持 “ 以太 ” 的存在，但也不能证明 “ 真空 ” 的确是空的。在麦克斯韦的电磁学理论里面， “ 真空 ” 被视为一种电介质（ dielectric medium ）。在 1862 年当麦克斯韦提出他早期的方程组时，他对安培定律的描述是 对此，麦克斯韦并不满意。因为这个方程会违反电荷守恒的要求，即 。 为了解决这个问题，麦克斯韦提出在式（ 1 ）右边加上一个新项 ( D 称为 “ 电荷位移 ”) 。 麦克斯韦根据的理由是：在电介质材料中包含有正电荷和负电荷，当其暴露在电场时，电场会导致电介质中电荷的位移。这个电荷位移的时间变化就会产生一种 “ 位移电流 Displacement current”( J d ) 。这种位移电流会影响磁场。因此，式（ 1 ）不仅要包括外加电流 ，还应该包括位移电流 。也就是说，安培定律的公式应修正为 这成了最终的麦克斯韦方程之一。这个方程在光的传播理论中起着关键的作用。当麦克斯韦研究电磁波在真空中的传播时，他把上式中的外加电流设定为零，但 “ 位移电流 ” 却不等于零，因为他认为真空是一种电介质，所以辐射波在真空传导过程中 J d 并不等于零。基于这种判断，他最终导出了电磁波的波动方程。 由此可见，把真空看做一种电介质是麦克斯韦的光传播理论中关键的一步。若是把真空看做空无一物，就不可能导出光的波动方程了。 (3) 量子电动力学和量子场论里面的 “ 真空 ” ( Quantum Vacuum ) 虽然在 20 世纪初由于相对论的提出使得许多人认为宇宙的空间是空的。但是，随着量子电动力学（ QED ）的发展，这一看法已经逐渐改变。真空被认为是电磁场没有被激发时的 “ 基态 ” （ ground state ）。 也就是说，当一个空间里没有出现任何电磁辐射波（光子）的时候，其空间介质所处的静止状态就被称为 “ 真空 ” 。对于这种空间介质的物理性质，科学家到目前还不是十分清楚。出现过很多种建议模式。不过有一点是可以确定的：这种真空的能量并非零。当我们把某一频率的辐射波量子化时，就会发现其能量是等于 E= (n+1/2) hv ，所以当量子数为零的时候，该辐射场的能量不是零，而是 ½hv 。这称为零点能量（ Zero-point energy ）。于是，在 QED 里面的真空，就必须包括无穷无尽的零点能量 。 在量子场里面，不但光子会生成（ created ）和湮灭（ annihilated ），不同的粒子也会生成和湮灭。因此，真空其实就是让不同粒子出没的一个背景实体。真空只是代表当空间里粒子数量为零的时候的量子态。所以量子场论里真空的性质可以非常复杂。美国一位物理学家 Joseph Silk 对于这种量子真空有过一段生动的描述： “ 量子理论认为，真空不是空的。 相反，量子真空可以被描绘为连续出现和消失的粒子的海洋。 ….. 这里面充满了 “ 虚拟的 ” 粒子，而不是真实的粒子。 ... 在任何给定的时刻，真空充满了一对一对的虚拟的粒子与反粒子，这些虚拟的粒子对可以通过影响原子的能级而被显示出来 。 ” 这种把真空当为一个粒子海洋的概念在量子电动学的早期就已经形成。例如，在 20 世纪 30 年代，Dirac (狄拉克)创立的电子理论就认为，真空像是一个充满着负能量电子的海洋 。当这种负能量电子受到光子的激发时，它就会跃上海面变成一个正能量的自由电子。而这个海洋中所产生的空洞就成了电子的反粒子（即正电子）。狄拉克就凭这个理论在 1933 年获得诺贝尔物理奖。 根据狄拉克理论的引申，真空不仅仅是负能量电子的海洋而已；所有具有反粒子的粒子都必须有一个负能量粒子的海洋。如此一来，真空不但绝不是空的，它还满载着多种不同的负能量粒子。其复杂性可以想象。于是到了后来，许多研究量子场论的学者就悄悄地放弃了狄拉克的粒子海洋概念。只坚持把粒子当作一个场的量子化激发态；而真空就成了各种量子场的基态。不过对于这个基态的物理性质是什么，始终没有很明确的解释。 (4) 现代宇宙学里面的 “ 真空 ” 如上所述，现在宇宙学里的主流理论是暴胀理论。这个理论应用了广义相对论以及粒子物理里面的标准模型（ Standard Model of particle physics ）。暴胀理论里面的真空概念基本是从粒子物理里面的真空概念衍生而来。也就是说，真空里并非空无一物，它仅仅是量子场里面的基态。暴胀理论假设宇宙是贯穿在一个标量场（ ϕ ）里面。它的性质相当于希格斯理论里面的希格斯场（ Higgs field ）。真空只是这个场的一个局部最小值（ local minimum ）。事实上，在暴胀理论里，这种局部最小值（ local minima ）不止一个。最低的一个被称为 “ 真真空 ”(True vacuum) ；而相邻的较高的一个就被称为 “ 伪真空 ” （ False vacuum ）。而宇宙的诞生就是通过在伪真空里面的量子扰动（ quantum fluctuation ）形成的 。 这个暴胀理论之所以为目前大多数的宇宙学者所接受，是因为它能够很简单地解释几个近年观察到的宇宙学现象，包括宇宙的均匀性和平直性。但对于这个理论本身的细节，还有很多争论的地方 。这个暴胀模型里面的真空的具体物理性质究竟是什么？目前还有待研究。 在最近几十年，有些学者尝试用弦理论来解释我们的物理世界，包括宇宙的起源。这个理论被称为 “ 万有理论 ” （ A theory of everything ）。因为它企图融合了量子力学和广义相对论，从而解释了从最小的粒子到最大的宇宙的一切物理现象。在这个弦理论里面，真空也不是空的；它是由非常微细的弦交织而成。根据 MIT 文小刚教授的说法，在现有的弦理论里，真空就是一种弦网液体；弦的密度波就是光波、弦的末端就是电子和夸克。文教授曾经打趣地说：真空的弦网液体就像 “ 一碗汤面 ” 。而我们就是活在这碗汤面里 。 (5) 物质波模型里的 “ 真空 ” 从以上讨论可知，我们正处于一个尴尬的境地。一方面，旧的真空介质的概念（即以太假说）已经被证明是不能接受的。可是麦克斯韦理论里的经典真空又需要具备电介质的性质。另一方面，随着量子场论的发展，真空已经不仅不 “ 空 ” ，还有着非常复杂的性质。到底出路在哪里呢？我最近提出了一种新的理论尝试，称为 “ 物质波模型 ” （ Matter wave model ）。里面假设物质波和辐射波都是同一真空介质的不同激发波；而真空是一种特定的空间介质，其性质有点像麦克斯韦理论里面的电介质系统 。这意味着，自然世界里所有的粒子，包括组成物质的费米子，和组成辐射波的光子及其他玻色子（无论有无质量），都是真空介质不同的激发波。读者如果对这个模型有兴趣，可以参考我列在文末的几篇文章 。 结束语 在目前，我们对于真空的具体物理性质的认识仍然很浅。但无论是今天的主流宇宙学理论还是量子场理论，真空都不是空的。事实上，有一些著名的实验已经清楚地显示我们的真空具有特殊的物理性质。这些实验包括：真空极化效应（ effects of vacuum polarization ），兰姆位移（ Lamb shift ）和卡西米尔效应（ Casimir effect ） 。这些实验显示真空的可极化，真空对于原子内的电子运动的影响，以及真空能量的可量度性。所以，已经有不少可靠的实验证据，显示“真空”并非一个空无一物的空间。 参考文献： P. Coles, The state of the Universe, Nature, vol. 433, pp. 248-256, 2005. D. N. Spergel, The dark side of cosmology: Dark matter and dark energy, Science, vol. 347, (6226), pp.1100-1102, 2015. Planck Collaboration, P. A. R. Ade and et al, Planck 2015 results - XIII. Cosmological parameters, Astron. Astrophys., vol. 594, A13, 2016. A. H. Guth and D. I. Kaiser, Inflationary cosmology: Exploring the universe from the smallest to the largest scales, Science, vol. 307, (5711), pp. 884-890, 2005. A. H. Guth, The Inflationary Universe: The Quest for a New Theory of Cosmic Origins. Helix Books: Addison-Wesley, Reading, Mass., 1997. E. W. Kolb, The Early Universe. Addison-Wesley, Reading,Mass., 1990. S. Weinberg, The First Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe. (Updated ed.) Basic Books, New York, 1988. A. H. Guth, Inflation, PNAS, vol. 90, (11), pp. 4871-4877, 1993. A. A. Michelson and E. W. 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真空衰变的新方式 作者：巴特罗米基 * 科兹奇（加拿大不列颠哥伦比亚大学天文物理系） 来源： arXiv 网站， 2011 译者：郑 中 关键字： Vacuum Decay， decay channel ， bubble wall， negative mode， saddle point， nucleation， barnacle， false vacuum， intermediate vacuum，true vacuum ；真空衰变，衰变通道，泡壁，负模态，鞍点，成核，壳，伪真空（伪空），过渡真空（元空），真真空（真空） 译者题诗：弹弦论道不时髦，伪空衰变吹泡泡。膨缩旋撞乱飘摇，神奇p膜好生瞧。 摘要： Bart lomiej Czech （2011）研究 指出近似薄壁内的宇宙泡壁（ cosmological bubble wall ）对于“壳”（ barnacles ）的产生是不稳定的——各种泡壁张性部位紧邻第三种真空充满的区域。壳的形成导致与广为研究的泡壁（或畴壁）图景相同的观测结果，但更通常呈指数式发生。该过程可用具有两个负模态（ negative mode ）的薄壁作用量的鞍点（ saddle point ）来描述。 表 1 ：薄壁作用量的鞍点，看起来连续的泡壁张应力为有限值，且由负模态数确定，如对应的衰变通道所属世代。黑 / 白色的封闭区域被过渡（ B ） / 真（ C ）真空充满，而外部区域是伪真空（ A ）。 表 2 ：壳分类。黑 / 白色表示的封闭区域充满有过渡（ B ） / 真（ C ）真空；外部区域是伪真空（ A ）。对于真真空泡， III 和 IV 型壳覆盖少部分邻近泡壁，而 I 和 II 型壳覆盖了半个或更多邻近泡壁。对于选择图景参量，只存在一个类型的壳。 永恒膨胀范式（ The eternal inflation paradigm ）假设为不同真真空充满的宇宙泡连续成核，膨胀并彼此碰撞，除非处于永恒膨胀的伪真空（ false vacuum ）态。在近似薄壁中，成核事件（ nucleation event ）可用欧几里德作用量的一个鞍点来描述 （ 1 ） 上式具有一个负模态。其中 ε 表示能量密度， σ 表示薄壁张应力， 的贡献受限于 δ 函数所选的世界体积 。一般地，预测不止产生一类宇宙泡： 自伪真空开始，一般过渡真空（ intermediate vacuum ）的宇宙泡（第一代）将包含大量真真空的宇宙泡（第二代） 。该历史与具有负模态的鞍点有关，每次成核有一段历史。 本文指出，在 第二代成核事件（壳的形成）的新类型中可发现柱对称鞍点 。这些对象是各种泡壁张应力部位，它紧邻充满第三种真空的区域；它们可在第一代宇宙泡上成核。在后文中，我解释了如何计算壳的形成速率。我也指出，壳的产生导致与广为研究的宇宙泡膨胀图景相同的观测结果，但远非具有一般性：预测 在我们的过去光锥内的壳数指数式地大于预测的碰撞数 （当这些量可比较时）。 考虑一种可能场景，至少包含 三种非衰变虚空 （ nondegenerate vacua ）：一种伪真空 A ，一种过渡真空 B 和一种真真空 C 。 ε A 等表示各自虚空能量，而 ε AB 等表示虚空能量差。在近似薄壁内运行，可表示三个泡壁的张应力 σ AB 、 σ AC 、 σ BC ，并可写出作用量公式。 当虚空 B 和 C 耦合时，则 σ AB 、 σ AC →∞ ， 体积 V 的伪真空区域的欧几里德分配函数为： (2) 当转变为 B ，而尚未进入 C （ σ AB ∞= σ AC = σ BC ）时，分配函数包括来自含单个负模态的鞍点的贡献，这就是熟悉的 球状瞬子 ，见表 1 左边。遍历所有的 p - 瞬子（ instanton ）分支，可得： (3) 其中 iK AB 是根据路径积分的鞍点估算值得到的行列式因子。这是可想象的，因为鞍点具有一个负模态。 瞬子作用量 可写为 (4) 临界半径的四维球和三维球的体积估算公式 为 (5) 总之， B 泡的成核净效应通过一个假设项而转化为 A 的有效真空能密度 ，真空 A 的衰变速率可解释为： (6) 随后是 B→C 成核作用，将 σ BC 设置为一个有限值，但 σ AC 仍保持无限大。于是路径积分允许含有两个负模态的鞍点，见表 1 中栏内。当我们在路径积分中考虑它们的贡献，真空 B 的每个球状瞬子剥掉其内部的真空 C 球。当我们考虑这点，方程（ 3 ）的指数项变为： (7) 指数 m 表示 C 球数量，遍历零平移模式进行积分，它们每个具有因子 。与方程（ 4 ）相比，我们知道包含具有两个负本征值的鞍点的净效应将产生一个变化： (8) 当然， 这种变化可稍影响到 A 的衰变速率 。但从观察者角度看，居住于第一代宇宙泡 B 内。 该变化与方程（ 6 ）的形式相同，且相应地诱发环境真空的衰变通道（ decay channel ）。 我们的目标是大致理解，当第三种泡壁张应力 σ AC 变为有限时发生什么。这里介绍两类鞍点，见表 1 右栏。 第一类鞍点是一种熟悉的 A 内真空 C 的球状瞬子，它具有单独的负模态，表示第一代 C 泡的产生。第二类鞍点是柱对称的，具有两个负模态 ，已有学者报道了其存在性。 为了解释这种对象，让我们与其它含两个负模态的鞍点作比较，根据方程（ 7 、 8 ）解释之。 第二代 C 泡在 B 泡内到处分布 ，所以它具有因子 。 鞍点特征可遍布于第一代宇宙泡壁表面上，我们称之为壳（ barnacle ） 。根据零点模式积分，每个壳将具有一个因子 ，所有的 n - 壳分支加和，且在方程（ 7 ）中 m 仍为 B 内部的第二代 C 泡，方程（ 3 ）中的指数项变为： （ 9 ） 其中 S b 是当 B 泡壁剥去单个壳时作用量中的增量，而 iK b 是相应行列式因子的速率（这是可想象的，因为包含一个壳引入了一个特别的负模态）。甚至非球型鞍点对有效薄壁参量也产生一种变化，但此时变化量是泡壁张应力： （ 10 ） 最后一步， 将张应力的虚部当作单位三维体积内的壁变为壳衰变速率。 我们可能担心这种估算只是壳的值，它的创生与第一代 B 泡的成核作用是同时发生的，因为只有这样才可连续（可解析）作用于欧几里德路径积分上。但如果方程（ 10 ）到处成立， B 泡的 SO(3.1) 对称性，那么就适用于泡壁任何部位。 与第二代 C 泡一样，壳的出现不影响真空 A 的衰变速率，除了形式上外。但 对于第一代 B 泡内的观察者而言，壳形成表示其附近世界非常不稳定。 不同于 B 真空因 C 泡形成而产生的不稳定性，与它发生同样的碰撞。为了揭示这点，有利于理解 洛伦兹演化取决于图景参量 （表 2 中的类型 I 、 II 、 III ），但一般特征不包括：壳看起来就像一个小的轴对称的 C 真空泡，它迅速地出现于泡壁 AB 内。 BC 和 AC 型的薄壁附近，开始处于静止。因为 C 真空比起真空 A 和 B （假设的）具有较低的能量密度，所以这种真空泡 以近光速膨胀至彼此连接部 。这两种泡壁的洛伦兹演化可用 三维双曲面 来描述，球切片解析延拓（ analytic continuation ）至欧几里德鞍点。这两种双曲面被初始 AB 泡壁约束到合并。注意三个泡壁接触处，称为连接部，它自己是一个二维双曲面，因为其欧几里德初期形式是一种柱对称性二维球。 III 和 V 型壳也可能突然出现于泡壁上，并将真真空与伪真空分开（与前文讨论的真真空、过渡真空相反）。在这种情况下，它们为过渡真空所充满，因此其泡壁加速膨胀远离真真空泡中心。实际上，对于居住于真真空 C 内的观测者而言，只有其附近世界的不稳定性可（ a ）在泡周围的壁上形成壳，（ b ）且可导致母真空内的新泡发生成核作用。后一章图景的观测结果（如果我们居住于一个 C 真空泡内）已经研究了。只要我们意识到壳的重要性，第一个问题是：壳形成的观测信号如何不同于泡碰撞？ 答案在于它们根本不同。学者的分析取决于一个初始点：我们的泡周围的壁包含各种壁张应力的 SO(2.1) 不变性片区，它加速膨胀远离我们的泡中心。对泡碰撞的所有观察结果 — 从 CMB 冷 / 热点及其有关的极化图斑到星系流（ galaxy flow ），然后由此单个输入。但这个输入为壳所共享： 这也导致各种壁张应力的 SO(2.1) 不变性片区加速膨胀远离我们，而不管何时碰撞形成的畴壁 （ domain wall ）。因此， 目前报道的泡碰撞的观测信号整体上导致壳的形成。 这产生一个问题：产生了更多的什么种类？壳的存在取决于 至少存在一个额外真空 ，以及两种虚空内部和外部、观测者的泡。反之，图景中缺少其它类型虚空的情况下也可发生泡碰撞，但 这种情况下的碰撞泡被同种真空所充满，而且它们之间不形成任何畴壁 。 现在我认为如果第三种真空存在，壳图景就远不止泡碰撞图景中的那些类型了。为讨论之，我需要两个前提： 第一，符合观测要求的所有畴壁加速远离我们，所以我们的真空必定是真真空 C ；第二，对于任何选定的图景参量，存在四种壳之一 ，见表 2 。我开始重点在于参量空间部分，其中壳是 III 或 IV 类型。在这种情况下，可能要考虑壳遍布于我们的球状 C 真空泡壁表面上。于是有意义地追问，预测在我们过去光锥内可见到多少个壳，而其数量与预测到的可见碰撞事件数相比如何。 B. Freivogel et al.(2009) 计算了 我们过去光锥内可预测到的泡碰撞数 。根据本文定义的数量，可表达为 （ 11 ） 其中 G N 是牛顿常数， A 表示横切我们过去光锥的二维横截面（ B. Freivogel et al.(2009) 将畴壁近似为零）。在一个特殊的宇宙学模型中， 面积 A 由我们真空附近内的能量密度确定 。如果伪真空内成核的泡撞击面为 A ，必导致不再进一步远离， 时空不会超过伪真空的视界长度 。因此， 因子 A / G N ε A 测度了伪真空的四维体积，在那里泡成核（两种类型之一）导致碰撞。 在壳情形中，我们可作相似估算。 Γ b 表示单位三维畴壁的衰变速率 。因此，我们必须写出畴壁的三维体积，它约束于我们的过去光锥内。尤其是，我们必须认识到畴壁不为零。实际上， 畴壁的洛伦兹演化可由一个三维双曲面确定 (12) 如果 A 表示与前文相同的横截面积，易知 畴壁的三维体积与 R AC A 成正比 （与量纲分析一致）。据 ，在 我们的过去光锥内可预测到的壳数 为： (13) 比较方程（ 11 ）和（ 12 ），可见碰撞泡上的壳域如果满足 且 (14) 上式左边，指数是大的负数，一般与 S AC 同数量级。因此，反常情况大致规定衰变速率 Γ AC 的量级主要受制于决定性因素 K AC 、 K b ，呈指数式。这显示出在模型中， III 或 IV 型壳的数量多于泡碰撞数。 I 和 II 类型壳覆盖真真空区域周围的半个或更大的畴壁，因而 产生这些壳型的模型不能意识到我们的初始球状泡产生多个壳的图景 ，它产生了 CMB 中的 角幅偏振 （ azimuthal anisotropie ）；反之，在该模型中 观察到的宇宙是壳自身。 宇宙内部的壳是轴对称的，并无需任何碰撞就导致角幅特征。如果普朗克探测器和其它实验探测到角幅信号，那么我们应推断我们居住于 I 或 II 类型壳中，还是我们已见到了一次泡碰撞呢？作为一个推论问题，其答案取决于每个这些图景的先验概率 --- 如宇宙学测量的选择。 无论如何，看来 壳对于产生轴对称宇宙学特征，是一种比泡碰撞更稳健的机制 。 如果隐参量将我们置于 III 或 IV 类型图景中，壳成核频率比碰撞更高。而如果处于 I 或 II 类型图景中，壳保证了角幅效应的存在，而泡碰撞速率要足够高。 大量的可能性推广将壳类宇宙置于一个更稳固的基础上。 壳鞍点涉及到连接部，即三类泡壁合并之处。 V. Balasubramanian et al.(2011) 没有证明宏观场方程存在必要解；而且，他们的分析没涉及引力，而 引力显然影响到成核速率 。在洛伦兹特征的壳中，生长于主泡壁 (host wall) 的表面上。有趣的是 当两个壳发生碰撞时将发生什么？ 另一方面，我们发现 壳产生比泡碰撞更普遍，但在观测上难以辨别 。我前文探讨了与壳有关的问题，把宇宙学观测当作超弦景观的额外证据。由此， 壳对于理解永恒膨胀的概念是重要的。 因为壳包含区域存在三种虚空和三种泡壁合并，它们 导致虚空内的类空孤点（ spacelike-separated points ）之间存在 非平凡相关性 。这就应对永恒膨胀作定性和定量研究。 更正式地讲，本文对具有两个或多个负模态的欧几里德鞍点的作用进行了第一个阐释。前人的研究特别强调 只含单个负模态的鞍点才与不稳定性有关，该论断对于虚空（ empty vacua ）的衰变通道是成立的，但它不可用于其它对象的不稳定性 ，如前文的成核过程中产生的畴壁。本文的主要结论是： 至少在真空衰变的语境中，所有鞍点对应于衰变通道 。 对于分量不可任意远离的鞍点，负方向数对应于真空衰变世代。 因此， 具有 n 个负模态的鞍点代表亚稳态构形（ metastable configuration ）的衰变通道，它本身就是 n -1 个先前衰变事件的产物。 博主神侃贴文《 宇宙微波闻道乎 ？》： http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=289142do=blogid=494009
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