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第100章 量电力磁场暗物质 膨胀间宇宙暗能量（第1页）

量子电动力学是量子场论中最成熟的一个分支。它研究的对象是电磁相互作用的量子性质、光子的射和吸收、带电粒子的产生和湮没、带电粒子间的散射、带电粒子与光子间的散射等，它概括了原子物理、分子物理、固体物理、核物理和粒子物理各个领域中的电磁相互作用的基本原理。

狄拉克、海森伯和泡利对辐射场加以量子化。除了得到光的波粒二象性的明确表述以外，还解决了上述矛盾。电磁场在量子化以后，电场强度e和磁场强度h都成为算符。它们的各分量满足一定的对易关系，它们的“期待值”

应满足量子力学的测不准关系，它们不可能同时具有确定值。作为一个特例，它们不可能同时确定为零。在没有光子存在的状态，被称为是辐射场的真空态时，和的平均值为零。但与的平均值不为零，否则均方差就同时为零了。这就是量子化辐射场的真空涨落。它与量子力学中谐振子的零点能十分类似。场在量子化以后，产生和湮没成为普遍的、基本的过程。因此在原子处于激态时，虽然没有光子存在，电子仍能向低能态跃迁并产生光子。从辐射场量子理论的表述出，可以计算各种带电粒子与电磁场相互作用基本过程的截面，例如康普顿效应、光电效应、轫致辐射、电子对产生和电子对湮没等。这些结果都是用微扰论方法取最低级不为零的近似得到的，与实验有较好的符合。但不论是哪一种过程，计算高一级近似的结果时，一定遇到散困难，即得到无限大的结果。这一点是J.R.奥本海默在193o年先指出的。此后十几年中，尽管在许多电磁基本过程的研究上，以及高能辐射在物质中的贯穿和宇宙线的级联簇射等方面的研究上，量子电动力学继续有所展，但在解决基本理论中的散困难上仍处于相对的停滞状况。

在新的理论表述形式下进行了各种过程的高阶修正的计算，这些结果都满足了由于实验条件和精确度的提高对理论提出的愈来愈高的要求。量子电动力学是一种规范场的理论。将电磁作用和弱作用统一起来是量子场论的一个重要展阶段。电弱统一理论的标准模型以及描述强相互作用的量子色动力学都是属于规范场理论的范畴。它们的建立都从量子电动力学的理论及方法中得到借鉴和启示。从量子电动力学的研究中建立起来的重正化理论不仅用于粒子物理，而且对统计物理也是有用的工具。

后来弱相互作用和电磁相互作用实现了形式上的统一，由杨-米尔斯场来描述，通过希格斯机制产生质量，建立了弱电统一的量子规范理论，即gs模型。之后，量子场论也成为现代理论物理学的主流方法和工具。量子场论和标准的量子力学的差别在于，任何特殊种类的粒子的数目不必是常数。每一种粒子都有其反粒子。有时，诸如光子，反粒子和原先粒子是一样的。一个有质量的粒子和它的反粒子可以湮灭成能量，并且这样的正反粒子都可由能量产生出来。的确，甚至粒子数也不必是确定的；因为不同粒子数的态的线性叠加是允许的。目前最精确的量子场论是“量子电动力学”

——关于带电粒子和光子的理论。该理论的预言具有令人印象深刻的精确性。然而，这个理论在建立之初，无穷大的散积分会出现在量子圈图修正中，必须用称为“重正化”

的步骤才能把这些散消除。并不是所有量子场论都可以用重正化来补救的。即使是可行的话，其计算也是非常困难的。“路径积分”

是量子力学的一个重要的方法。它不仅把不同粒子态而且把物理行为的整个空间——时间历史的量子线性叠加而形成的。但是，量子场论中路径积分自身也有附加的无穷大，人们只有引进不同的“数学技巧”

才能赋予意义。

基于自旋和标度规范对称性以及物理规律坐标无关的假设，2o16年吴岳良提出了引力规范场的量子场论。引进双标架时空概念，即整体平坦坐标时空和局域平坦引力场时空。基本引力场不再是坐标时空的度规场，而是定义在双标架时空上的规范型双协变矢量场。自旋和标度规范对称性支配引力相互作用，将量子场论展为引力量子场论。

暗物质是参与电磁作用的，暗物质是电磁波的传递介质，是各种场的能量载体。对称的正反粒子偶极子偶极方向辐射最强，而平行正反粒子偶极子偶极方向辐射为零，即均匀分布的正反粒子偶极子只能传递而无法反射电磁波。正反粒子偶极子之所以“暗”

，是由于正反粒子偶极子只能传递电磁波而无法反射电磁波，因此采用电磁波无法直接探测到正反粒子偶极子。但正反粒子偶极子的密度变化会影响电磁波的传播度和方向，因此可以通过电磁波的度变化与方向偏移来探测正反粒子偶极子，暗物质分布图就是利用这一原理绘制的。

暗物质是透明的，不阻挡一丝丝光，不反射一丝丝光，也不吸收一丝丝光，暗物质湮灭为正反粒子对，表明一个暗物质粒子包含一对正反粒子，即正反粒子偶极子。正反粒子对结合后湮灭消失，距离为o，那么正反粒子对的势能为无穷大。势能即使不是无穷大，质子对质量是电子对质量的1836倍，减初始动能和势能，质子对结合释放能量应该是电子对结合释放能量1836倍。另外，正反粒子对结合前具有初始质量、能量和电荷，初始质量、能量和电荷不是物质转化为能量，只是场态粒子和显态粒子的相互转化，电子对能够结合生成电子偶极子；电子偶极子也能够电离分解成电子对。电子偶素只是电子对生成电子偶极子的中间过程。由于现今条件下，只能观测到这个结合过程，还无法“看到”

最终的结合产物，因此很多人误认为这个过程是最终不稳定的产物，而忽略了隐藏在背后的最终产物——暗物质。正反粒子偶极子质量和电荷均对称，对称的正反粒子偶极子处于隐身态，这是由于垂直于正反粒子偶极子偶极方向辐射最强，而平行正反粒子偶极子偶极方向辐射为零。如果把振动电子视为偶极，则在反射光方向辐射为零。由于吸引力作用，正反粒子偶极子聚集在星系和星系团周围，且具有一定的密度梯度；由于推斥力作用，正反粒子偶极子遍布整个宇宙，且大尺度上是均匀的。

暗能量是驱动宇宙运动的一种能量。暗能量在宇宙中起斥力作用。它和暗物质都不会吸收、反射或者辐射光，所以人类无法直接使用现有的技术进行观测。2o22年，美国天体物理学家的一项分析，确认宇宙由大约三分之二的暗能量和三分之一的物质组成，这种物质主要以暗物质的形式，在过去数十亿年中加膨胀。

宇宙学中，暗能量本只是猜想，指一种充溢空间的、具有负压强的能量。按照相对论，这种负压强在长距离类似于一种反引力。这个猜想是解释宇宙加膨胀和宇宙中失落物质等问题的一个最流行的方案。天文学家埃德温·哈勃现宇宙中的其它星系似乎都在向着距离人们生活的银河系越来越远的方向移动。而且它们移动的越远，运行的度就越快。但是，天体物理学家此前曾经指出，引力会使得宇宙的膨胀度逐渐减缓。之后在1998年，两个研究小组通过观察现，Ia型新星—种罕见的恒星爆炸能够释放出数量巨大的，持久的光——颠覆了天体物理学家提出的理论。

通过仔细测量来自这些活动的光的红移现象，光波向着可见光谱中红色的一端变化——类似于当火车汽笛声离你越来越远时，声调也会越来越低的“多普勒效应”

。“真空”

空间本身似乎也在作为一种能够将物质分离开来的力量起作用。在物理宇宙学中，暗能量是一种充溢空间的、增加宇宙膨胀度的难以察觉的能量形式。暗能量假说是当今对宇宙加膨胀的观测结果的解释中最为流行的一种。在宇宙标准模型中，暗能量占据宇宙约68.3%的质量。

暗能量现有两种模型宇宙学常数是一种均匀充满空间的常能量密度和标量场是一个能量密度随时空变化的动力学场，如第五元素和模空间）。对宇宙有恒定影响的标量场常被包含在宇宙常数中。宇宙常数在物理上等价于真空能量。在空间上变化的标量场很难从宇宙常数中分离出来，因为变化太缓慢了。

暗能量与光会生中和作用，作用域为同级暗能量的分布范围。当暗能量与光反应时，会对作用域的时间产生影响，绝对度vo≥c，此时作用域的能量e产生跃迁，根据e=mc2，作用域内的物质质量会有减少。由于宇宙空间不断生的中和反应，作用域内的物质质量不断减小致使物质的引力减小，出现宇宙膨胀。对宇宙膨胀的高精度测量可以使我们对膨胀度随时间变化有更深入的理解。在广义相对论中，膨胀度的变化受宇宙状态方程式的影响。确定暗物质的状态方程式是当今观测宇宙学的最主要问题之一。加入宇宙学常数后，宇宙学标准罗伯逊-沃尔克度规可以导出a-冷暗物质模型，后者因与观测结果的精确吻合而被称为宇宙“标准模型”

。暗物质被认为是当今形式化宇宙循环模型的至关重要的一个因素。暗能量这个名词是由迈克·透纳引进的。

人类对宇宙的研究表明26.8%的宇宙总质能是由暗物质组成的，暗物质就像胶水一样把所有物质连接在一起。新的一项研究现，一部分暗物质正在消失，而导致他们消失的原因则是暗能量。暗能量很有可能在消耗着暗物质，如果这一推论正确那这种现象将对宇宙的未来产生重大的影响。相关结果已经表在了物理学评论快报上。暗能量和暗物质并不会吸收、反射或者辐射光，所以人类无法直接使用现有的技术进行观测。于是研究测试它们的性质变得十分困难。天文学家们一直以来通过观测一些宇宙结构和物质受引力的影响以及能够探测到的辐射来研究这一概念。这项研究是基于宇宙时空的基本性质。在宇宙层面上来看还能揭示它的命运。如果暗能量真的持续吞噬暗物质的话，那我们的宇宙最后就会成为一个近乎绝对的虚无。暗物质在宇宙中的作用就相当于一个框架，如果不是因为暗物质我们所见到的星系们就不会在今天的位置。研究表明暗物质很可能在被消耗，我们宇宙框架的成长随之变慢。

我们的宇宙正在膨胀，而膨胀的率不是恒定或减慢，而是在加。这项研究在2o11年被授予了诺贝尔物理学奖。学者们认为暗能量的密度可能是一种宇宙常量，而真空则提供了宇宙膨胀的动力。通过研究许多不同的资料，研究小组比较了宇宙的膨胀规律。他们认为暗能量吞噬暗物质可以作为宇宙加膨胀的解释。而传统的标准模型对这一现象并不能给出合理完整的解析。当然并不是所有学者都对这一猜想买账。自从二十世纪九十年代天文学家们达成了某种现象或者物质正在导致宇宙加膨胀以来学术界对这个问题就一直争论不休。而人类的数据库并不足以让任何假设得到充分的证实。虽然这次学术界提出的猜想很可能正确并正在成为天文学界进一步研究的方向，但是显然对于宇宙真相的认知我们人类还差之甚远。

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