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宇宙中的量子场最早是何时形成的?

[ 来源:http://www.hnzasp.com | 作者:网友 | 时间:2020-11-10

量子引力理论试图将喜欢因斯坦的广义相对论与量子力学结相符在一首。量子引力理论试图将喜欢因斯坦的广义相对论与量子力学结相符在一首。

  欧美av露b科技讯 久久18热点网11月9日新闻,据国外媒体报道,不论吾们如何不益看察宇宙,是在矮温下照样在极端高能量之下,是地球附近照样可不益看测宇宙的最遥远,吾们都会不益看察到相通的物理法则。基本常数相通,引力外现相通,量子转换与相对论效答也十足相通。在可不益看测宇宙中的肆意时间点上,广义相对论(主宰引力)与量子场理论(主宰其它已知力)的行使样式益似都与地球上别无二致。但情况一向如此吗?宇宙中的量子场有异国能够曾经差别过?甚至一度根本异国量子场?多筹网站Patreon的声援者克里斯•肖(Chris Shaw)很想晓畅这些题目的答案,所以他问道:

  “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向存在吗?会不会甚至比这更早、形成于大爆炸之前的膨大期呢?”

  量子场甚至在吾们意料不到的条件下也有能够存在。对于量子场,吾们现在掌握了如下新闻。

图为一根长条形磁铁的磁场暗示图。这根磁铁是一个“磁偶极子”,即磁场的南极和北极结相符在了一首。即使将外部磁场移除,这类永磁体仍可保留磁性。倘若将磁铁折成两半,南北磁极并不会随之别离,而是会形成两根磁铁,每根都有各自的南极和北极。图为一根长条形磁铁的磁场暗示图。这根磁铁是一个“磁偶极子”,即磁场的南极和北极结相符在了一首。即使将外部磁场移除,这类永磁体仍可保留磁性。倘若将磁铁折成两半,南北磁极并不会随之别离,而是会形成两根磁铁,每根都有各自的南极和北极。

  说到“场”,大无数人的认知能够与19世纪的科学家相通:倘若有一个电荷或一块永磁体,它就会在空间中的各个倾向上形成一个围绕自己的场。不论有异国其它粒子受其影响,这个场都存在。但你能够经由过程各类电荷与场的相互作用,探测到场的存在(以及场能够影响的对象与影响手段)。

  例如,铁粉在磁场中能够遵命磁场倾向排列开来。电荷在电场中(或者在磁场中活动时)会在力的作用下添速,详细取决于场的强度。

  在喜欢因斯坦和牛顿的概念系统中,就连引力也能够被描述成场,任何样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答影响,从而决定了它异日的活动轨迹。

在喜欢因斯坦和牛顿的引力概念中的任何参考系中,都能够竖立首引力场模型。倘若只望经典理论系统,场的概念固然相等有用,但并不完善。在喜欢因斯坦和牛顿的引力概念中的任何参考系中,都能够竖立首引力场模型。倘若只望经典理论系统,场的概念固然相等有用,但并不完善。

  然而,这栽可视化描述固然很有用、也很常见,但只有在非量子设定下才能成立。它很益地表现了经典场的运作机制,但吾们所在的现实与量子血肉相连。遵命吾们对经典物理世界的感知,场是光滑且不息的,并且从理论最幼值到理论最大值这条“谱线”上,场的特性在肆意一点均存在。然而,在量子宇宙中,这总共全都走不通。

  量子场不光存在于源头周围(如质量或电荷),而是无处不在。倘若有质量(对答引力)、电荷(对答电磁)、一个带非零弱超荷的粒子(对答弱核力)、或者一个色荷(对答强核力),它们便会外现为场的激发态,但不论这些场源是否存在,场的存在都不受影响。不光如此,这个场照样量子化的,并且其零点能量(或者说它能够拥有的最矮能量程度)能够为零值。

现在,费曼图被用于计算强核力、弱核力和电磁力之间的每一栽基原形互作用,包括在高能、矮温或凝结状态下。即使异国粒子,费曼图也照样存在,代外了真空中的量子场。现在,费曼图被用于计算强核力、弱核力和电磁力之间的每一栽基原形互作用,包括在高能、矮温或凝结状态下。即使异国粒子,费曼图也照样存在,代外了真空中的量子场。

  换句话说,吾们所理解的异国电荷、异国质量或任何场源的“真空”并非真的空无一物,而是拥有上述量子场。这就意味着,空间中也足够了场的量子性质与海森堡不确定性原理结相符产生的量子震动,占有了每一栽能够的量子模式和量子态(这些量子态被占有的概率是特定的、并且从理论上来说是能够计算出来的)。

  你能够会对此持疑心态度,心想:“那又怎么样呢?量子场理论只是一栽计算手段罢了,又不克验证这些量子场在真空中存在与否。”但原形上,吾们能够行使它来做实验。取两块平走的导电板,安放在你能制造出的最完善的真空中,其中不存在任何物质和任何栽类的场源,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,这些量子场的所有能够状态都能够存在,对量子模式异国任何控制。但在导电板内部,只有一片面量子场能够存在,由于有些边界条件不准了特定电磁波的产生,导致量子场的片面激发态也无法存在。就算异国任何电磁波来源,这些激发场态在板内外也是差别的,从而在板上产生了一股叫做卡西米尔力的相符力。

图为卡西米尔效答的暗示图。能够望出,两块板内部和外部所受的力(以及电磁场状态)是差别的。由于板外能够存在的量子模式比板内要多,两板之间会形成净吸引力。图为卡西米尔效答的暗示图。能够望出,两块板内部和外部所受的力(以及电磁场状态)是差别的。由于板外能够存在的量子模式比板内要多,两板之间会形成净吸引力。

  卡西米尔力最早于1948年由亨德里克•卡西米尔(Hendrik Casimir)挑出展望,但一向到1997年,才在实验中被证实探测到。物理学家斯蒂夫•拉莫雷(Steve Lamoreaux)成功完善了实验,得出的效果处于卡西米尔展望值的5%周围内。这些量子场准确实空间中无处不在。此次实验不光表明了量子场的存在,还表现了这些场的影响强度。

  物理学家想弄清的一个概念是,真空中的量子场是否通盘由吾们所知的量子场(即属于标准模型和与引力有关的量子场)组成,久久草撸照样也包含其它量子场。例如,以下这些来源也能够产生量子场:黑物质的来源、产生黑能量的形象或场、宇宙膨大期残留的场、大一统理论系统形成的新场或新相互作用、或者标准模型之外的任何崭新物理形象(包括但不限于新的力或粒子等等)。

已知量子场在真空中所占的分量现在还无法真实计算出来,但从理论上来说,倘若拥有有余兴旺的计算机,这是能够计算出来的。现在吾们还不隐微,吾们所晓畅的宇宙是否通盘由已知的场、粒子和相互作用组成。已知量子场在真空中所占的分量现在还无法真实计算出来,但从理论上来说,倘若拥有有余兴旺的计算机,这是能够计算出来的。现在吾们还不隐微,吾们所晓畅的宇宙是否通盘由已知的场、粒子和相互作用组成。

  固然在吾们不益看察到的情况下,不论是在粒子添速器中、照样在宇宙大爆炸可不益看测的最早阶段,物理法则都不会转折,但量子场的性质确保了量子耦相符的强度(与粒子在量子场中感受到的力相相反)会行为能量和温度的函数发生转折。

  在物理学中,吾们将这称作“耦相符常数的跑动”。你能够如许理解:这些虚拟量子粒子占有的激发态模式比矮能基态模式要多。固然这并意外味着在宇宙早期的高能量时期、主宰宇宙的量子场与今日有所差别,但它也表明了某些事情:这些耦相符常数能够曾在某暂时刻联相符过,表明强核力、弱核力和电磁力能够都源自联相符套大一统理论。在这套理论之下,所有力都实现了联相符。

倘若将耦相符常数外示为双对数坐标轴上的函数,它们就会如左图所示、彼此失诸交臂。但倘若添入一个相符展望的超对称粒子,这几个常数就会在1015GeV(十亿电子伏特)处相交,即传统的大一统能量尺度。倘若将耦相符常数外示为双对数坐标轴上的函数,它们就会如左图所示、彼此失诸交臂。但倘若添入一个相符展望的超对称粒子,这几个常数就会在1015GeV(十亿电子伏特)处相交,即传统的大一统能量尺度。

  这套框架不光挑供了其它量子场存在的能够性、揭露了这些量子场在高能量下的影响,还表明宇宙中能够存在一套“最终大一统理论”、或者说“万物理论”。倘若这栽状态真的存在,你能够将其想象为恢复对称性的最终样式,就像把一个球放在走星上最高山的山顶相通。

  倘若对称被打破,球就会滚下山、落入一路遇到的某个山谷的最矮点。但倘若你把球放回山顶,多试几次,尽能够让球取得均衡,这个球纷歧定每次都会沿联相符条路径滚落,详细取决于以下因素:初首条件的微弱差别,微弱的、甚至量子级别的震动,宇宙膨大或冷却的速度、以及新场耦相符的存在与否。

当对称性恢复时(顶部的黄球),总共都是对称的,各状态的优先级相通。但当对称性在矮能量下被打破时(底部的蓝球),各倾向的解放度就不再相通了。在差别的量子场中,球滚入的“最矮点”也能够有所差别。当对称性恢复时(顶部的黄球),总共都是对称的,各状态的优先级相通。但当对称性在矮能量下被打破时(底部的蓝球),各倾向的解放度就不再相通了。在差别的量子场中,球滚入的“最矮点”也能够有所差别。

  对称性一旦被打破,末了能够拥有多栽最后态。倘若吾们将时间拨回最初的最初,也不克保证每次都能演化出相通的物理法则和基本常数。就像吾们笃信地球上展现人类纯属幸运使然相通,宇宙现在拥有这些物理法则和常数,也能够只是正好“中奖”而已。

  不过,当吾们回溯到宇宙大爆炸的最早期阶段,并异国证据表现,宇宙曾经达到过上述理论大一统(以及恢复对称性)所需的温度。当对称性被打破时,就会产生粒子;倘若这类大一统真的发生过,就答当会产生大量磁单极子。而这栽粒子在宇宙中隐微不存在。倘若吾们现在所知的量子场源自更早的时期,该时期必定处于宇宙大爆炸之前。

  这是否意味着,量子场能够是在宇宙膨大期形成的呢?

图为多个各自自力的宇宙的暗示图。这些宇宙分布在一个不息膨胀的宇宙“海洋”中,彼此之间不存在任何因果有关。在多重宇宙的背景下,有能够展现多个差别的“口袋宇宙”,但没人晓畅这些宇宙中的物理法则或基本常数是否差别于吾们所在的宇宙。图为多个各自自力的宇宙的暗示图。这些宇宙分布在一个不息膨胀的宇宙“海洋”中,彼此之间不存在任何因果有关。在多重宇宙的背景下,有能够展现多个差别的“口袋宇宙”,但没人晓畅这些宇宙中的物理法则或基本常数是否差别于吾们所在的宇宙。

  有能够,但吾们无法确定。根据吾们揣摸出的、宇宙膨大期的能量上限,膨大期的能量能够未曾达到过形成量子场所需的程度。固然膨大期模型必要引入多重宇宙的概念才能成立,但“差别‘口袋宇宙’中的常数或法则也差别”的推想照样太偏臆断了。

  不过有一点是肯定的:某些类型的量子场在膨大期必定存在。它们和现在的量子场能够相通,能够差别,能够超出了吾们所知的量子场周围,但不论如何都必定存在。吾们是如何得知这一点的呢?这是由于,吾们现在在宇宙中不益看察到的震动与根据膨大期间存在的量子场震动展望出的效果十足相反。

宇宙膨大期间的量子震动切实被延迟了,但也导致了总能量密度的震动。这些场的震动导致早期宇宙中的密度分布不均衡,并所以导致了宇宙微波背景中的温度震动。从膨大情况来望,这些震动必定是绝炎的(即与外界异国炎量和粒子交换)。宇宙膨大期间的量子震动切实被延迟了,但也导致了总能量密度的震动。这些场的震动导致早期宇宙中的密度分布不均衡,并所以导致了宇宙微波背景中的温度震动。从膨大情况来望,这些震动必定是绝炎的(即与外界异国炎量和粒子交换)。

  这些震动清淡发生在微不益看尺度的量子级别上。在宇宙膨大期间,这些震动在整个宇宙周围内被延迟,转化成了宇宙大爆炸最先时的温度与密度震动,并在宇宙中留下了不可抹除的印记。吾们现在能不益看察到这些震动和它们造成的效果,表明这些量子场在宇宙膨大期间是存在无疑的。

  时空已经存在了多久,某些类型的量子场就必定存在了多久。但在膨大期的末了一刻之前,宇宙中原形发生了什么,吾们将永世无从得知,由于这已经超出了可不益看测宇宙的周围。由于欠缺证据,吾们只能不息追求已知新闻的极限,并将它们与宇宙中残留的新闻进走匹配。固然吾们开展的推想很有有趣、也很相符直觉,但原形如何,吾们将永世无从知晓。(叶子)

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