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1900年 ， 英国物理学家威廉?汤姆生发表了题为“在热和光动力理论上空的19世纪乌云”的演讲 。 此时此刻的物理学家们似乎认为物理学的大厦已经建立起来了 ， 剩下的工作就是些缝缝补补的打杂活 。
威廉?汤姆生
但是这两朵乌云毫无消散的意愿 ， 一个是黑体辐射问题 ， 一个是光速问题 。 以现代时空观角度来看 ， 正是这两朵在当时看起来不怎么重要的乌云却彻底将物理学的大厦推倒 ， 重新构建起来了 。 黑体辐射问题的解决造就了量子力学 ， 光速问题的解决造就了相对论 。
量子力学和相对论的建立已经过去了一个世纪 。 这一百年内 ， 再也没有出现类似量子力学和相对论这样划时代的物理理论的出现 。
然而现代物理学天空上的乌云数量远超19世纪 。 或许下一场物理学的革命就蕴藏在这些乌云里 。 所以我将开设一个新的专题 ， 持续更新十几期现代物理学乌云的内容 。
现代物理学乌云大致分为62种 ， 纯理论方面的乌云28种 ， 有科学解释 ， 但是缺乏合理证据的乌云有34种 。
我计划将一些比较迫切 ， 且可能造成物理学重大突破的乌云单独列出来做一系列内容 。
本期内容的主题先从最迫切解决的真空灾变开始前面有一期内容科普过真空非空的概念 。 在量子力学中 ， 即便在空间中移除掉所有物质 ， 真空中依然会残留一部分能量 ， 这部分能量就是零点能量 。 在空无一物的真空中 ， 零点能量可以变成真空能量 。
按照量子场论的估计 ， 真空的零点能密度为10∧121GeV／m3
但是从旅行者探测卫星测量到数据分析 ， 真空能量密度的上限是10∧14Gev／m3
理论预测和测量到的真空能量密度数值居然相差了107个数量级 。 所以量子场论预测的真空能量密度也被称为物理学史上最差劲的预测 。
如果仅相差一个数量级 ， 我们还能怀疑测量数据可能存在误差 。 数量级差距如此巨大 ， 基本上将问题的矛盾直指量子场论 。 所以我们不得不怀疑量子场论存在重大漏洞 。
咱们先看看量子场论是怎么预测真空能量的真空不空且具有能量 ， 主要是是因为真空中总会凭空出现正反粒子对 ， 正反粒子对的能量是向真空借的 ， 暂时会打破能量守恒定律 ， 然后凭空出现的正反粒子对会马上湮灭 ， 又将能量还给真空 。
从宏观上来看 ， 能量守恒定律是成立的 。
按照海森堡的不确定性原理 ， 微观粒子的位置和动量不可能同时精确测量出来 ， 粒子动量测得越精准 ， 位置越不准 。 真空中凭空出现正反粒子可以称为虚粒子 ， 虚粒子也符合不确定性原理 。 这些虚粒子消失得越快 ， 意味着位置变化越小 ， 位置精确度越高 ， 动量就越大 ， 所以能量也就越大 。
如果虚粒子存在的时间接近无限小 ， 那么能量就无限大 ， 这和事实不符 。 所以虚粒子存在的时间不能无限小 ， 必须有个限定值 ， 虚粒子存在的时间底限可以取普朗克时间 。 问题是 ， 一旦将普朗克时间作为虚粒子存在的时间下限时 ， 计算出真空能量密度会比观测值高出整整107个数量级 。
现在只能有三种解释第一：量子场论需要重新修订 。
第二：观测方式有误 ， 但是这种可能性基本上可以排除 。
【截至2022年，物理学难以突破，天空中的乌云还有62种，纯理论28种】第三：需要引入新的理论解释 ， 或者存在未知的物理机制抵消了理论和观测之间的巨大差值 。 这个差值得解决可能要引入量子引力理论 。
但是量子引力理论自身也是物理学仍未解决的一朵乌云 。 所以下一期内容将深入解读量子引力理论！
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