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第100章 量電力磁場暗物質 膨脹間宇宙暗能量（第1頁）

量子電動力學是量子場論中最成熟的一個分支。它研究的對象是電磁相互作用的量子性質、光子的發射和吸收、帶電粒子的産生和湮沒、帶電粒子間的散射、帶電粒子與光子間的散射等，它概括了原子物理、分子物理、固體物理、核物理和粒子物理各個領域中的電磁相互作用的基本原理。

狄拉克、海森伯和泡利對輻射場加以量子化。除了得到光的波粒二象性的明确表述以外，還解決了上述矛盾。電磁場在量子化以後，電場強度E和磁場強度H都成為算符。它們的各分量滿足一定的對易關系，它們的“期待值”應滿足量子力學的測不準關系，它們不可能同時具有确定值。作為一個特例，它們不可能同時确定為零。在沒有光子存在的狀态，被稱為是輻射場的真空态時，和的平均值為零。但與的平均值不為零，否則均方差就同時為零了。這就是量子化輻射場的真空漲落。它與量子力學中諧振子的零點能十分類似。場在量子化以後，産生和湮沒成為普遍的、基本的過程。因此在原子處于激發态時，雖然沒有光子存在，電子仍能向低能态躍遷并産生光子。從輻射場量子理論的表述出發，可以計算各種帶電粒子與電磁場相互作用基本過程的截面，例如康普頓效應、光電效應、轫緻輻射、電子對産生和電子對湮沒等。這些結果都是用微擾論方法取最低級不為零的近似得到的，與實驗有較好的符合。但不論是哪一種過程，計算高一級近似的結果時，一定遇到發散困難，即得到無限大的結果。這一點是J.R.奧本海默在1930年首先指出的。此後十幾年中，盡管在許多電磁基本過程的研究上，以及高能輻射在物質中的貫穿和宇宙線的級聯簇射等方面的研究上，量子電動力學繼續有所發展，但在解決基本理論中的發散困難上仍處于相對的停滞狀況。

在新的理論表述形式下進行了各種過程的高階修正的計算，這些結果都滿足了由于實驗條件和精确度的提高對理論提出的愈來愈高的要求。量子電動力學是一種規範場的理論。将電磁作用和弱作用統一起來是量子場論的一個重要發展階段。電弱統一理論的标準模型以及描述強相互作用的量子色動力學都是屬于規範場理論的範疇。它們的建立都從量子電動力學的理論及方法中得到借鑒和啟示。從量子電動力學的研究中建立起來的重正化理論不僅用于粒子物理，而且對統計物理也是有用的工具。

後來弱相互作用和電磁相互作用實現了形式上的統一，由楊-米爾斯場來描述，通過希格斯機制産生質量，建立了弱電統一的量子規範理論，即GWS模型。之後，量子場論也成為現代理論物理學的主流方法和工具。量子場論和标準的量子力學的差别在于，任何特殊種類的粒子的數目不必是常數。每一種粒子都有其反粒子。有時，諸如光子，反粒子和原先粒子是一樣的。一個有質量的粒子和它的反粒子可以湮滅成能量，并且這樣的正反粒子都可由能量産生出來。的确，甚至粒子數也不必是确定的；因為不同粒子數的态的線性疊加是允許的。目前最精确的量子場論是“量子電動力學”——關于帶電粒子和光子的理論。該理論的預言具有令人印象深刻的精确性。然而，這個理論在建立之初，無窮大的發散積分會出現在量子圈圖修正中，必須用稱為“重正化”的步驟才能把這些發散消除。并不是所有量子場論都可以用重正化來補救的。即使是可行的話，其計算也是非常困難的。“路徑積分”是量子力學的一個重要的方法。它不僅把不同粒子态而且把物理行為的整個空間——時間曆史的量子線性疊加而形成的。但是，量子場論中路徑積分自身也有附加的無窮大，人們隻有引進不同的“數學技巧”才能賦予意義。

基于自旋和标度規範對稱性以及物理規律坐标無關的假設，2016年吳嶽良提出了引力規範場的量子場論。引進雙标架時空概念，即整體平坦坐标時空和局域平坦引力場時空。基本引力場不再是坐标時空的度規場，而是定義在雙标架時空上的規範型雙協變矢量場。自旋和标度規範對稱性支配引力相互作用，将量子場論發展為引力量子場論。

暗物質是參與電磁作用的，暗物質是電磁波的傳遞介質，是各種場的能量載體。對稱的正反粒子偶極子偶極方向輻射最強，而平行正反粒子偶極子偶極方向輻射為零，即均勻分布的正反粒子偶極子隻能傳遞而無法反射電磁波。正反粒子偶極子之所以“暗”，是由于正反粒子偶極子隻能傳遞電磁波而無法反射電磁波，因此采用電磁波無法直接探測到正反粒子偶極子。但正反粒子偶極子的密度變化會影響電磁波的傳播速度和方向，因此可以通過電磁波的速度變化與方向偏移來探測正反粒子偶極子，暗物質分布圖就是利用這一原理繪制的。

暗物質是透明的，不阻擋一絲絲光，不反射一絲絲光，也不吸收一絲絲光，暗物質湮滅為正反粒子對，表明一個暗物質粒子包含一對正反粒子，即正反粒子偶極子。正反粒子對結合後湮滅消失，距離為0，那麼正反粒子對的勢能為無窮大。勢能即使不是無窮大，質子對質量是電子對質量的1836倍，減初始動能和勢能，質子對結合釋放能量應該是電子對結合釋放能量1836倍。另外，正反粒子對結合前具有初始質量、能量和電荷，初始質量、能量和電荷不是物質轉化為能量，隻是場态粒子和顯态粒子的相互轉化，電子對能夠結合生成電子偶極子；電子偶極子也能夠電離分解成電子對。電子偶素隻是電子對生成電子偶極子的中間過程。由于現今條件下，隻能觀測到這個結合過程，還無法“看到”最終的結合産物，因此很多人誤認為這個過程是最終不穩定的産物，而忽略了隐藏在背後的最終産物——暗物質。正反粒子偶極子質量和電荷均對稱，對稱的正反粒子偶極子處于隐身态，這是由于垂直于正反粒子偶極子偶極方向輻射最強，而平行正反粒子偶極子偶極方向輻射為零。如果把振動電子視為偶極，則在反射光方向輻射為零。由于吸引力作用，正反粒子偶極子聚集在星系和星系團周圍，且具有一定的密度梯度；由于推斥力作用，正反粒子偶極子遍布整個宇宙，且大尺度上是均勻的。

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暗能量是驅動宇宙運動的一種能量。暗能量在宇宙中起斥力作用。它和暗物質都不會吸收、反射或者輻射光，所以人類無法直接使用現有的技術進行觀測。2022年，美國天體物理學家的一項分析，确認宇宙由大約三分之二的暗能量和三分之一的物質組成，這種物質主要以暗物質的形式，在過去數十億年中加速膨脹。

宇宙學中，暗能量本隻是猜想，指一種充溢空間的、具有負壓強的能量。按照相對論，這種負壓強在長距離類似于一種反引力。這個猜想是解釋宇宙加速膨脹和宇宙中失落物質等問題的一個最流行的方案。天文學家埃德溫·哈勃發現宇宙中的其它星系似乎都在向着距離人們生活的銀河系越來越遠的方向移動。而且它們移動的越遠，運行的速度就越快。但是，天體物理學家此前曾經指出，引力會使得宇宙的膨脹速度逐漸減緩。之後在1998年，兩個研究小組通過觀察發現，Ia型超新星—種罕見的恒星爆炸能夠釋放出數量巨大的，持久的光——颠覆了天體物理學家提出的理論。

通過仔細測量來自這些活動的光的紅移現象，光波向着可見光譜中紅色的一端變化——類似于當火車汽笛聲離你越來越遠時，聲調也會越來越低的“多普勒效應”。“真空”空間本身似乎也在作為一種能夠将物質分離開來的力量起作用。在物理宇宙學中，暗能量是一種充溢空間的、增加宇宙膨脹速度的難以察覺的能量形式。暗能量假說是當今對宇宙加速膨脹的觀測結果的解釋中最為流行的一種。在宇宙标準模型中，暗能量占據宇宙約68.3%的質量。

暗能量現有兩種模型：宇宙學常數是一種均勻充滿空間的常能量密度和标量場是一個能量密度随時空變化的動力學場，如第五元素和模空間）。對宇宙有恒定影響的标量場常被包含在宇宙常數中。宇宙常數在物理上等價于真空能量。在空間上變化的标量場很難從宇宙常數中分離出來，因為變化太緩慢了。

暗能量與光會發生中和作用，作用域為同級暗能量的分布範圍。當暗能量與光反應時，會對作用域的時間産生影響，絕對速度v0≥c，此時作用域的能量E産生躍遷，根據E=mc2，作用域内的物質質量會有減少。由于宇宙空間不斷發生的中和反應，作用域内的物質質量不斷減小緻使物質的引力減小，出現宇宙膨脹。對宇宙膨脹的高精度測量可以使我們對膨脹速度随時間變化有更深入的理解。在廣義相對論中，膨脹速度的變化受宇宙狀态方程式的影響。确定暗物質的狀态方程式是當今觀測宇宙學的最主要問題之一。加入宇宙學常數後，宇宙學标準羅伯遜-沃爾克度規可以導出Λ-冷暗物質模型，後者因與觀測結果的精确吻合而被稱為宇宙“标準模型”。暗物質被認為是當今形式化宇宙循環模型的至關重要的一個因素。暗能量這個名詞是由邁克·透納引進的。

人類對宇宙的研究表明：26.8%的宇宙總質能是由暗物質組成的，暗物質就像膠水一樣把所有物質連接在一起。新的一項研究發現，一部分暗物質正在消失，而導緻他們消失的原因則是暗能量。暗能量很有可能在消耗着暗物質，如果這一推論正确那這種現象将對宇宙的未來産生重大的影響。相關結果已經發表在了物理學評論快報上。暗能量和暗物質并不會吸收、反射或者輻射光，所以人類無法直接使用現有的技術進行觀測。于是研究測試它們的性質變得十分困難。天文學家們一直以來通過觀測一些宇宙結構和物質受引力的影響以及能夠探測到的輻射來研究這一概念。這項研究是基于宇宙時空的基本性質。在宇宙層面上來看還能揭示它的命運。如果暗能量真的持續吞噬暗物質的話，那我們的宇宙最後就會成為一個近乎絕對的虛無。暗物質在宇宙中的作用就相當于一個框架，如果不是因為暗物質我們所見到的星系們就不會在今天的位置。研究表明暗物質很可能在被消耗，我們宇宙框架的成長随之變慢。

我們的宇宙正在膨脹，而膨脹的速率不是恒定或減慢，而是在加速。這項研究在2011年被授予了諾貝爾物理學獎。學者們認為暗能量的密度可能是一種宇宙常量，而真空則提供了宇宙膨脹的動力。通過研究許多不同的資料，研究小組比較了宇宙的膨脹規律。他們認為暗能量吞噬暗物質可以作為宇宙加速膨脹的解釋。而傳統的标準模型對這一現象并不能給出合理完整的解析。當然并不是所有學者都對這一猜想買賬。自從二十世紀九十年代天文學家們達成了某種現象或者物質正在導緻宇宙加速膨脹以來學術界對這個問題就一直争論不休。而人類的數據庫并不足以讓任何假設得到充分的證實。雖然這次學術界提出的猜想很可能正确并正在成為天文學界進一步研究的方向，但是顯然對于宇宙真相的認知我們人類還差之甚遠。

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