宇宙中的量子场最早是何时形成的?

来源:环球科学发布时间:2020-11-11

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?	

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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。

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。

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。

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。


图为卡西米尔效应的示意图。可以看出,两块板内部和外部所受的力(以及电磁场状态)是不同的。由于板外可以存在的量子模式比板内要多,两板之间会形成净吸引力。

图为卡西米尔效应的示意图。可以看出,两块板内部和外部所受的力(以及电磁场状态)是不同的。由于板外可以存在的量子模式比板内要多,两板之间会形成净吸引力。图为卡西米尔效应的示意图。


卡西米尔力最早于1948年由亨德里克•卡西米尔(Hendrik Casimir)提出预测,但一直到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)成功完成了实验,得出的结果处于卡西米尔预测值的5%范围内。这些量子场的确在空间中无处不在。此次实验不仅证明了量子场的存在,还显示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全部由我们所知的量子场(即属于标准模型和与引力关联的量子场)构成,还是也包含其它量子场。例如,以下这些来源也可能产生量子场:暗物质的来源、产生暗能量的现象或场、宇宙膨胀期残留的场、大一统理论体系形成的新场或新相互作用、或者标准模型之外的任何全新物理现象(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目前还无法真正计算出来,但从理论上来说,假如拥有足够强大的计算机,这是可以计算出来的。目前我们还不清楚,我们所了解的宇宙是否全部由已知的场、粒子和相互作用构成。

已知量子场在真空中所占的分量目前还无法真正计算出来,但从理论上来说,假如拥有足够强大的计算机,这是可以计算出来的。目前我们还不清楚,我们所了解的宇宙是否全部由已知的场、粒子和相互作用构成。


虽然在我们观察到的情况下,无论是在粒子加速器中、还是在宇宙大爆炸可观测的最早阶段,物理法则都不会变化,但量子场的性质确保了量子耦合的强度(与粒子在量子场中感受到的力相一致)会作为能量和温度的函数发生改变。


在物理学中,我们将这称作“耦合常数的跑动”。你可以这样理解:这些虚拟量子粒子占据的激发态模式比低能基态模式要多。虽然这并不意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不同,但它也说明了某些事情:这些耦合常数也许曾在某一时刻统一过,说明强核力、弱核力和电磁力也许都源自同一套大一统理论。在这套理论之下,所有力都实现了统一。


如果将耦合常数表示为双对数坐标轴上的函数,它们就会如左图所示、彼此失之交臂。但如果加入一个符合预测的超对称粒子,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。

如果将耦合常数表示为双对数坐标轴上的函数,它们就会如左图所示、彼此失之交臂。但如果加入一个符合预测的超对称粒子,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。


这套框架不仅提供了其它量子场存在的可能性、揭露了这些量子场在高能量下的影响,还说明宇宙中也许存在一套“终极大一统理论”、或者说“万物理论”。假如这种状态真的存在,你可以将其想象为恢复对称性的终极形式,就像把一个球放在行星上最高山的山顶一样。


假如对称被打破,球就会滚下山、落入沿路遇到的某个山谷的最低点。但如果你把球放回山顶,多试几次,尽可能让球取得平衡,这个球不一定每次都会沿同一条路径滚落,具体取决于以下因素:初始条件的微小差别,微小的、甚至量子级别的波动,宇宙膨胀或冷却的速度、以及新场耦合的存在与否。


当对称性恢复时(顶部的黄球),一切都是对称的,各状态的优先级相同。但当对称性在低能量下被打破时(底部的蓝球),各方向的自由度就不再相同了。在不同的量子场中,球滚入的“最低点”也可能有所不同。

当对称性恢复时(顶部的黄球),一切都是对称的,各状态的优先级相同。但当对称性在低能量下被打破时(底部的蓝球),各方向的自由度就不再相同了。在不同的量子场中,球滚入的“最低点”也可能有所不同。


对称性一旦被打破,最后可能拥有多种最终态。假如我们将时间拨回最初的最初,也不能保证每次都能演化出相同的物理法则和基本常数。就像我们相信地球上出现人类纯属运气使然一样,宇宙如今拥有这些物理法则和常数,也可能只是碰巧“中奖”而已。


不过,当我们回溯到宇宙大爆炸的最早期阶段,并没有证据显示,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;如果这类大一统真的发生过,就应当会产生大量磁单极子。而这种粒子在宇宙中显然不存在。如果我们如今所知的量子场源自更早的时期,该时期一定处于宇宙大爆炸之前。


这是否意味着,量子场可能是在宇宙膨胀期形成的呢?


图为多个各自独立的宇宙的示意图。这些宇宙分布在一个不断扩张的宇宙“海洋”中,彼此之间不存在任何因果关系。在多重宇宙的背景下,有可能出现多个不同的“口袋宇宙”,但没人知道这些宇宙中的物理法则或基本常数是否不同于我们所在的宇宙。

图为多个各自独立的宇宙的示意图。这些宇宙分布在一个不断扩张的宇宙“海洋”中,彼此之间不存在任何因果关系。在多重宇宙的背景下,有可能出现多个不同的“口袋宇宙”,但没人知道这些宇宙中的物理法则或基本常数是否不同于我们所在的宇宙。


有可能,但我们无法确定。根据我们推断出的、宇宙膨胀期的能量上限,膨胀期的能量也许不曾达到过形成量子场所需的水平。虽然膨胀期模型需要引入多重宇宙的概念才能成立,但“不同‘口袋宇宙’中的常数或法则也不同”的猜测还是太偏臆断了。


不过有一点是肯定的:某些类型的量子场在膨胀期一定存在。它们和如今的量子场也许相同,也许不同,也许超出了我们所知的量子场范围,但无论如何都一定存在。我们是如何得知这一点的呢?这是因为,我们如今在宇宙中观察到的波动与根据膨胀期间存在的量子场波动预测出的结果完全一致。


宇宙膨胀期间的量子波动的确被拉长了,但也导致了总能量密度的波动。这些场的波动导致早期宇宙中的密度分布不均衡,并因此导致了宇宙微波背景中的温度波动。从膨胀情况来看,这些波动一定是绝热的(即与外界没有热量和粒子交换)。

宇宙膨胀期间的量子波动的确被拉长了,但也导致了总能量密度的波动。这些场的波动导致早期宇宙中的密度分布不均衡,并因此导致了宇宙微波背景中的温度波动。从膨胀情况来看,这些波动一定是绝热的(即与外界没有热量和粒子交换)。


这些波动一般发生在微观尺度的量子级别上。在宇宙膨胀期间,这些波动在整个宇宙范围内被拉长,转化成了宇宙大爆炸开始时的温度与密度波动,并在宇宙中留下了不可抹除的印记。我们如今能观察到这些波动和它们造成的结果,说明这些量子场在宇宙膨胀期间是存在无疑的。


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。但在膨胀期的最后一刻之前,宇宙中究竟发生了什么,我们将永远无从得知,因为这已经超出了可观测宇宙的范围。由于缺少证据,我们只能不断探索已知信息的极限,并将它们与宇宙中残留的信息进行匹配。虽然我们开展的推测很有意思、也很符合直觉,但真相如何,我们将永远无从知晓。(叶子)

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