宇宙學常數問題

未解決的物理學問題：為什麼真空的零點能造成了特大的宇宙學常數？是甚麼物理機制抵銷了它？

宇宙學常數問題是當今物理學界有待解決的重要問題之一。根據廣義相對論，宇宙真空裏蘊藏的能量會產生重力場，真空能量密度 $\rho _{vac}$ 與宇宙學常數 $\Lambda$ 之間的關係為 $\rho _{vac}c^{2}=\Lambda c^{4}/8\pi G$ 。真空能量密度的計算是物理學尚未解決的一個大問題。最簡單算法是總和所有已知量子場貢獻出的零點能，但這理論結果超過天文觀測值120個數量級，被驚歎為「物理史上最差勁的理論預測」！該問題稱為宇宙學常數問題。為什麼從真空能量密度計算出的宇宙學常數，會與天文觀測值相差這麼大？到底是甚麼物理機制抵銷這超大數值？解決這一系列問題可能要用到量子重力理論。^[1]^:186-187

背景

1916年，瓦爾特·能斯特最先發現與提出真空災變問題^[2]，並且疑問這麼特大的真空能量會對重力效應造成的結果^[3]^[4]。

1967年由俄羅斯宇宙學家雅可夫·澤爾多維奇提出宇宙學常數問題。

虛粒子對質子或原子之影響

根據量子力學，我們有可能算出氫原子附近間歇生滅的所有虛粒子，對氫原子頻譜所造成之影響。對於比較觀測結果的準確性，更可以到達非常的高度。

當中的計算，其實就是計算質子或原子的總能量，再計算虛粒子在空無空間的總能量，兩者相減。兩種能量在形式上皆為無窮，然而兩者相減，按狄拉克的規則卻可以得出一個有限的數值。

虛粒子對空無空間之影響

然而，若想只單獨計算虛粒子對空無空間之影響，則無任何可減之物，求出的結果，則為無窮。若索其根源，海森堡測不準原理指出間歇生滅的虛粒子消失得越快，其所帶有之能量則越大。因此若時間降低至幾乎瞬間消失，粒子則可摧帶幾乎無窮之能量。若要排除無窮，第一個作法，則是引入截斷，以普朗克時間作為虛粒子存在時間之下限。但即使如此，透過此方法計算所得之宇宙空無空間能量，竟然比宇宙學常數計算之觀測結果高出120個數量級。兩者的巨大差異，就是宇宙學常數問題。

真空災變

從航海家探測衛星測量到的數據所推斷出的真空能量密度上限為10¹⁴ GeV/m³，而從量子場論估算出的零點能密度為10¹²¹ GeV/m³。兩個數值難以置信地相差了107個數量級^[5] 在宇宙學裏，這差異稱為真空災變（英語：vacuum catastrophe）。^[6]物理史上從未見到這麼大的差距，物理學者認為這是當今物理理論的重大瑕疵。

1916年，瓦爾特·能斯特最先發現與提出真空災變問題。^[2]並且疑問這麼特大的真空能量會對重力效應造成的結果^[3]^[7]。

這問題可能對於重力與量子理論的統一給出很有價值的線索，因此有很多理論物理學者致力於這方面的研究。^[6]

問題及解決方向

故此，必須要將理論值下調120個數量級以至與觀測值一致，方能作出一個合理的解釋。我們必須要降低那個從空無空間虛粒子能量輕率地計算的估值，向下修正到一個合理的上限。當中牽涉到2個非常大的正數相減，在頭120個位彼此相消，而在第121個位留下非零數值。如此精確程度，在科學界並無先例可言。

參見

參考文獻

^ MP Hobson, GP Efstathiou & AN Lasenby. General Relativity: An introduction for physicists Reprint. Cambridge University Press. 2006. ISBN 9780521829519.
^ ^2.0 ^2.1 W Nernst. Über einen Versuch von quantentheoretischen Betrachtungen zur Annahme stetiger Energieänderungen zurückzukehren. Verhandl. der Deutschen Phys. Gesellschaften. 1916, 18: 83. （德文）
^ ^3.0 ^3.1 TM Nieuwenhuizen. Beyond the quantum. World Scientific. 2007: 250. ISBN 9812771174.
^ SE Rugh, H Zinkernagel. The quantum vacuum and the cosmological constant problem. Studies in History and Philosophy of Science Part B. 2002, 33: 663–705 [2016-09-17]. doi:10.1016/S1355-2198(02)00033-3. （原始內容存檔於2010-11-30）.
^ SM Dutra. Cavity Quantum Electronics. John Wiley & Sons. 2005: 63. ISBN 0471713473.
^ ^6.0 ^6.1 Adler, Ronald; et al. Vacuum catastrophe: An elementary exposition of the cosmological constant problem (PDF). Am. J. Phys. 1995, 63 (7) [2013-11-12]. （原始內容 (PDF)存檔於2012-04-16）.
^ SE Rugh, H Zinkernagel. The quantum vacuum and the cosmological constant problem. Studies in History and Philosophy of Science Part B. 2002, 33: 663–705 [2011-06-05]. doi:10.1016/S1355-2198(02)00033-3. （原始內容存檔於2010-11-30）.

[Hobson-1] MP Hobson, GP Efstathiou & AN Lasenby. General Relativity: An introduction for physicists Reprint. Cambridge University Press. 2006. ISBN 9780521829519.

[Nernst-2] 2.0 ^2.1 W Nernst. Über einen Versuch von quantentheoretischen Betrachtungen zur Annahme stetiger Energieänderungen zurückzukehren. Verhandl. der Deutschen Phys. Gesellschaften. 1916, 18: 83. （德文）

[Nieuwenhuizen-3] 3.0 ^3.1 TM Nieuwenhuizen. Beyond the quantum. World Scientific. 2007: 250. ISBN 9812771174.

[4] SE Rugh, H Zinkernagel. The quantum vacuum and the cosmological constant problem. Studies in History and Philosophy of Science Part B. 2002, 33: 663–705 [2016-09-17]. doi:10.1016/S1355-2198(02)00033-3. （原始內容存檔於2010-11-30）.

[Dutra-5] SM Dutra. Cavity Quantum Electronics. John Wiley & Sons. 2005: 63. ISBN 0471713473.

[Adler-6] 6.0 ^6.1 Adler, Ronald; et al. Vacuum catastrophe: An elementary exposition of the cosmological constant problem (PDF). Am. J. Phys. 1995, 63 (7) [2013-11-12]. （原始內容 (PDF)存檔於2012-04-16）.

[7] SE Rugh, H Zinkernagel. The quantum vacuum and the cosmological constant problem. Studies in History and Philosophy of Science Part B. 2002, 33: 663–705 [2011-06-05]. doi:10.1016/S1355-2198(02)00033-3. （原始內容存檔於2010-11-30）.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]