关于暗能量,为什么假设负压强比负质能密度更合理呢?

时间:2021-03-03 13:14:51   作者:
如果你仔细想想,负压力一点也不稀奇。

气体是由粒子组成的。当这些粒子互相排斥,互相反弹时,压缩气体需要很大的努力,对吧?气体的压强是正的。

但是如果我用相互吸引的粒子制造气体呢?想要粘在一起的粒子?这些粒子不是均匀地填充所有可用空间,以便彼此尽可能地保持距离(我猜是在练习它们自己的微观版本的社交距离),实际上聚集成,嗯,聚集成块?

这就是负压的气体。

负质量-能量密度则完全是另一回事。想象一下我们有一个粒子静止质量为负。正如你们所知,量子场论的真空本质上被描述为所有可能性的总和它们加起来就是空的,包括总能量为零的粒子-反粒子对。通常,这些虚粒子-反粒子对不能单独存在。因为它们的总能量必定为零,它们中的一个将具有负能量,这对自由粒子来说是不可能的。虽然这种虚粒子-反粒子对是量子场论真空的有用和有效描述,但它的存在因此是短暂的,不能直接观察到。

但如果我有一个静止质量为负的粒子,所有这些都会改变。真空实际上可能会衰变成一个由负能量粒子和它的反粒子组成的自由对,任何多余的能量都会以废热的形式辐射出去。这意味着真空从根本上来说是不稳定的:我们的宇宙将是一个量子涨落,远离失控崩溃,因为真空将成为一个无限的热辐射和负能量粒子的来源。

事实上,在某种程度上,这在过去确实发生过。臭名昭著的希格斯势是量子场的一个例子,它的自能与基态相比是负的。幸运的是,它的自我能量有界从下面(也就是说,它有一个最低的值),所以,当真空衰变结果,而不是过程失控,我们刚刚结束了我们称之为电弱对称性破缺,并生产的版本我们现在生活的宇宙,和希格斯场的已经在其新的基态,从而稳定。

但如果这样的事再发生,就意味着我们知道的一切都要结束了。化学的终结,低能量物理的终结,元素周期表的终结,甚至是核物理的终结。自然的基本规则不会改变,但它们在我们今天的宇宙中所呈现的形式,以及允许原子和分子形成的四种基本力,将会发生巨大的改变,即使真空衰变最终因某种机制而停止。

这种失控的过程在理论上可能吗?确实如此(事实上,有一些论文描述了希格斯场的重正化性如何使它在很长一段时间内内在地不稳定,导致在难以置信的遥远未来发生这样的崩溃)。

但就暗能量而言,我们并没有从宇宙学方程中漏掉负的质能密度。我们缺少了正的质能密度和负的状态方程。负质能密度会有明显不同的行为,与观测数据相矛盾。所以这就是为什么我们谈论暗能量,而通常不讨论奇异物质(负质量能量物质的另一种名称),尽管文献中确实偶尔出现关于这种可能性的建议。
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