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宇宙中的量子场最早是何时形成的?

2020-11-13 20:04 主页 来源:未知
宇宙中的量子场最早是何时形成的?


在可观测宇宙中的任意时间点上,广义相对论(主宰引力)与量子场理论(主宰其它已知力)的应用形式似乎都与地球上别无二致。但情况一直如此吗?

 
量子引力理论试图将爱因斯坦的广义相对论与量子力学结合在一起。
 
 
无论我们如何观察宇宙,是在低温下还是在极端高能量之下,是地球附近还是可观测宇宙的最远处,我们都会观察到相同的物理法则。基本常数相同,引力表现相同,量子转换与相对论效应也完全相同。在可观测宇宙中的任意时间点上,广义相对论(主宰引力)与量子场理论(主宰其它已知力)的应用形式似乎都与地球上别无二致。但情况一直如此吗?宇宙中的量子场有没有可能曾经不同过?甚至一度根本没有量子场?众筹网站Patreon的支持者克里斯•肖(Chris Shaw)很想知道这些问题的答案,于是他问道:
 
 
“宇宙中的第一批量子场是何时形成的?它们是自从宇宙大爆炸以来就一直存在吗?会不会甚至比这更早、形成于大爆炸之前的膨胀期呢?”
 
 
量子场甚至在我们意想不到的条件下也有可能存在。对于量子场,我们目前掌握了如下信息。
 
图为一根长条形磁铁的磁场示意图。这根磁铁是一个“磁偶极子”,即磁场的南极和北极结合在了一起。即使将外部磁场移除,这类永磁体仍可保留磁性。如果将磁铁折成两半,南北磁极并不会随之分离,而是会形成两根磁铁,每根都有各自的南极和北极。
 
 
说到“场”,大多数人的认知也许与19世纪的科学家相同:假如有一个电荷或一块永磁体,它就会在空间中的各个方向上形成一个围绕自身的场。无论有没有其它粒子受其影响,这个场都存在。但你可以通过各类电荷与场的相互作用,探测到场的存在(以及场可以影响的对象与影响方式)。
 
 
例如,铁粉在磁场中可以按照磁场方向排列开来。电荷在电场中(或者在磁场中运动时)会在力的作用下加速,具体取决于场的强度。
 
 
在爱因斯坦和牛顿的概念体系中,就连引力也可以被描述成场,任何形式的物质或能量都会受其在空间中的位置上受到的累积引力效应影响,从而决定了它未来的运动轨迹。
 
在爱因斯坦和牛顿的引力概念中的任何参考系中,都可以建立起引力场模型。如果只看经典理论体系,场的概念虽然十分有用,但并不完整。
 

 
然而,这种可视化描述虽然很有用、也很常见,但只有在非量子设定下才能成立。它很好地体现了经典场的运作机制,但我们所在的现实与量子息息相关。按照我们对经典物理世界的感知,场是平滑且连续的,并且从理论最小值到理论最大值这条“谱线”上,场的特性在任意一点均存在。然而,在量子宇宙中,这一切全都行不通。
 

 
量子场不仅存在于源头周围(如质量或电荷),而是无处不在。如果有质量(对应引力)、电荷(对应电磁)、一个带非零弱超荷的粒子(对应弱核力)、或者一个色荷(对应强核力),它们便会表现为场的激发态,但无论这些场源是否存在,场的存在都不受影响。不仅如此,这个场还是量子化的,并且其零点能量(或者说它可以拥有的最低能量水平)可以为零值。
 
如今,费曼图被用于计算强核力、弱核力和电磁力之间的每一种基本相互作用,包括在高能、低温或凝聚状态下。即使没有粒子,费曼图也依然存在,代表了真空中的量子场。
 

 
换句话说,我们所理解的没有电荷、没有质量或任何场源的“真空”并非真的空无一物,而是拥有上述量子场。这就意味着,空间中也充满了场的量子性质与海森堡不确定性原理结合产生的量子波动,占据了每一种可能的量子模式和量子态(这些量子态被占据的概率是特定的、并且从理论上来说是可以计算出来的)。
 

 
你也许会对此持怀疑态度,心想:“那又怎么样呢?量子场理论只是一种计算方法罢了,又不能验证这些量子场在真空中存在与否。”但事实上,我们可以利用它来做实验。取两块平行的导电板,放置在你能制造出的最完美的真空中,其中不存在任何物质和任何种类的场源,只有真空自带的量子场,包括最基本的量子电磁场。
 

 
在这两块导电板之外,这些量子场的所有可能状态都可以存在,对量子模式没有任何限制。但在导电板内部,只有一部分量子场可以存在,因为有些边界条件阻止了特定电磁波的产生,导致量子场的部分激发态也无法存在。就算没有任何电磁波来源,这些激发场态在板内外也是不同的,从而在板上产生了一股叫做卡西米尔力的合力。