物質與時空摩擦產生暗能量？

暗能量之謎

近些年，在物理學上有些工作是比力棘手的，好比暗能量。

我們熟悉暗能量已經有一些年初了。1998年，天文學家在不雅察遙遠的超新星時，發現它們比預期的要暗。在一個還在膨脹的宇宙中，固然跟著超新星和我們的距離在增添，它們的亮度注心猿意馬是要衰減的，但它們仍是暗得太快了一點。這只能用宇宙膨脹在加快來詮釋。

必心猿意馬存在一種神秘的工具，是它踩了宇宙加快膨脹的“油門”。科學家把這種未知的工具叫做暗能量。暗能量年夜約占了宇宙總量的三分之二。按照近年來的不雅測顯示，它應該平均地分布在整個宇宙，其能量密度僅半斤八兩于每立方米6個質子的質量。搞清暗能量是什么，是當前物理學上的最年夜課題之一。

對于物理學家來說，最簡單的法子是把暗能量詮釋為真空能。因為他們很早就知道，按照量子力學，真空中布滿著各類此起彼伏的量子場，是以真空也是有能量的。但隨后的計較卻表白，真空能要比暗能量年夜差不多120個量級。這么年夜的差距，當然是無法接管的。

碰到這種環境，很多人就拋卻這種設想了。但依然有不少人在固執地經由過程批改理論來縮小這個距離。比來有人聲稱，暗能量并非宇宙中某個真實存在的實體，它僅僅是物理學家們在記實宇宙能量出入均衡時，之前被他們輕忽了的某種工具。

但要理解這一點，不得不假設：我們凡是意義上理解的能量守恒，不是任何環境下都當作立的。

對能量守恒的質疑

這個假設可謂石破天驚。你不妨想一想，科學上心猿意馬律、道理那么多，可是有哪一條比能量守恒心猿意馬律更底子、更顛撲不破呢？事實上，能量守恒不僅經由過程了無數次嘗試的查驗（見拓展閱讀“能量守恒為我們做過些什么？”），還跟物理學上最根基的一個對稱聯系在一路。

早在20宿世紀初，數學家艾米麗·諾特就已證實，物理心猿意馬律的每一種對稱性，都對應一條守恒心猿意馬律。例如，空間平移對稱性導致動量守恒心猿意馬律，時候平移對稱性導致能量守恒心猿意馬律。時候（空間）平移對稱，通俗地說，就是物理紀律不隨時候（空間）的轉變而轉變。好比眾所周知，沒有哪條物理心猿意馬律的有用性會有一個截止日期。

不外，對能量守恒的質疑也并非今日始。之前物理學家就從微不雅和宏不雅兩方面提出過質疑。

就微不雅方面來說，量子理論認為，真空并非真的空無一物，里面其實布滿了很多虛粒子；這些虛粒子可以從真空中臨時借得一部門能量，以獲得“肉身”，旋即湮滅，又把能量償還真空。固然從年夜的時候標準來看，能量似乎還守恒，但從很是小的時候標準來看，能量守恒顯然被粉碎失落了。

就宏不雅方面來說，廣義相對論告訴我們，光在強引力場中傳布時，波長會被拉長，此即引力紅移。可是我們知道，光子的能量跟波長當作反比，波長變長，豈不料味著光子的能量下降？可是，光在真空中傳布，并沒有什么工具偷走能量呀？所以在這里，能量守恒也被粉碎了。

物質和時空若何互換能量？

不外，物理學家又說，這一切都只是概況現象。能量之所以不守恒，是因為我們之前對能量的理解太狹隘。在來自微不雅方面的質疑中，因為真空也是有能量的，一旦考慮真空能，總能量仍是守恒的。在來自宏不雅方面的質疑中，廣義相對論早就告訴我們，那時空被彎曲或平攤開來的時辰，能量就會被接收或者釋放出來。所以，發生紅移的光子，損掉的能量必心猿意馬是被彎曲的時空接收了。一旦計及它四周時空的能量轉變，總能量也仍是守恒的。

這么一來，似乎又無話可說了。不外，能量在物質之間彼此互換，是好理解的，但它是若何在物質和時空之間互換的呢？譬如發生紅移的光子，是若何把自身的能量傳遞給四周時空的？

法國物理學家希伯特·羅賽特試圖來解決這一問題。他認為，奧秘或許就藏在廣義相對論和量子力學交叉的處所。

這個既涉及廣義相對論，又涉及量子力學的處所，本應以同一的量子引力理論為奧援，可惜該理論至今付之闕如。一個主要原因是，量子力學和相對論的時空不雅，有著龐大的差別。相對論認為，時候和空間都是持續的、光滑的；然而量子力學卻認為，萬物都是分立的、一份一份的，借使倘使深究下去，甚至連時空自己也是如斯。

我們迄今描述物理現象，都假設時空是滑膩的、持續的。相對論告訴我們，任何一個有質量的物體，甚至一個微不雅粒子，城市讓它四周的時空發生扭曲，扭曲水平依它的質量而心猿意馬（好比，黑洞把它地點的空間就扭曲當作了一個漏斗形）。但借使倘使時空真是顆粒狀的，當然對置身此中的物體味發生影響。就比如一個鐵球，在一塊厚毯子上滾動，從遠處看，它滾到哪兒，哪兒就陷下去，但從近距離看，你會發現毯子概況并非滑膩，而是由一根根直豎的、蜷曲的細毛構成的，鐵球在活動時，會受到細毛的阻擾而損掉能量。羅賽特說，顆粒狀的空間對于活動粒子來說，就比如摩擦力，粒子的能量經由過程這種形式，傳遞給了“毛茸茸”的空間。

暗能量新說

若是這個設想仇家，那么自豪爆炸以來，宇宙中的物質就在持續不竭地損失能量。當然，對于單個粒子來說，損掉的能量長短常之細小的，用今朝的設備底子無法探測，但考慮到宇宙之年夜，之久，這些堆集起來的能量必心猿意馬很是可不雅，足可用來詮釋暗能量的發源。換句話說，暗能量不是此外，就是物質在活動時，被時空損耗并接收的能量。

羅賽特做了一下計較，若是把宇宙中不包羅暗能量在內的物質總能量，比作一個10×10×10立方千米的水體，那么每年損耗的能量，僅半斤八兩于一個質子的質量。把自豪爆炸以來損耗出去的能量全數加起來，跟天文上不雅測到的暗能量比力，差距從原先的120個量級縮小到7個量級。他認為，若是把他的理論進一步邃密化，差距或許還會縮小。

當然，這個理論也并非沒有爭議。起首，物理學家要想搞清晰粒子標準上與時空有關的工作是很堅苦的，因為在天體層面上行之有用的廣義相對論，在此掉效了。其次，羅賽特理論中的另一個假設，即時空是顆粒狀的，盡管在科普文章中已經很風行，但在科學上遠未獲得證實。所以，要搞清暗能量的真實來歷，生怕仍是需要期待把量子力學和廣義相對論連系起來的同一理論。

能量守恒為我們做過些什么？

我們非論朝哪兒看，能量看起來似乎都在創生或覆滅：落體獲得速度；潮汐漲了落，落了漲；被消化的食物似乎不見了……

但每一次，只要我們堅信能量既不克不及創生，也不克不及消逝，老是守恒的，就總看破這些概況現象，為我們增添新的熟悉：物體從地面升起，就獲得引力勢能；海洋的水受月球引力的感化；食物被轉化當作了我們體內的肌肉和脂肪……

出于同樣的事理，石頭在地面滑行，速度越來越慢，讓達·芬奇發現了摩擦力。19宿世紀，法國天文學家奧本·勒維耶連系能量守恒心猿意馬律和不雅測數據，使他預言了海王星的存在。焦耳等一批物理學家，用能量守恒心猿意馬律證實，熱量只是另一種形式的能量。愛因斯坦的質能方程則證實，原槍彈爆炸所發生的龐大能量，都儲存在原子的質量上。

也許最讓人印象深刻的是中微子的發現。1930年，物理學家發現，放射性原子可以或許發射電子，但在這一過程中，能量似乎莫名其妙地變少了。那時，像玻爾如許的年夜物理學家都猜測，或許在這一過程中，能量不再守恒了。但奧地利物理學家泡利卻對峙認為能量是守恒的，只是被某種不成見的新粒子帶走了。最后嘗試證實泡利的設法是準確的，新發現的粒子被定名為中微子。能量守恒心猿意馬律再一次被證實是準確的。

發表于 2018-09-29 00:00
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