第12章 宇宙学常数问题

以被描述为费米场中的一个个小包块，但是与电磁场不同，费米场的量值具有格拉斯曼数的特性，这与普通的数字大为不同。当你在普通数字之间做乘法的时候，乘积与各个乘数的顺序无关，比如4×6=6×4=24。但是对于格拉斯曼数来说，如果调换乘数的顺序，乘积的正负号就会变化，即A×B=– B×A。费米场的格拉斯曼特性导致了费米子的许多独特的性质，但是对于我们来说，更重要的是费米场的真空涨落可以导致负的能量密度。

那么玻色场的正真空能能否与费米场的负能量相互抵消呢？原则上是可能的，但是看上去发生概率很低。巨大的正负能量以复杂的方式依赖于粒子质量和相互作用，它们之间要想相互抵消，必须至少达到10100分之一的精度。是什么导致了如此不可思议的巧合呢？

在粒子物理学中的确发生了显着的抵消现象，但这些抵消通常可以追溯到一些潜在的对称性。以电荷守恒为例，高能碰撞可以产生无数的新粒子，但是正电荷和负电荷的数量一定是完全相等的，以确保总电荷不变。这种性质源于基本粒子物理方程的一种特殊对称性，被称为规范对称性。规范对称性决定了电荷在所有的基本粒子相互作用中都是守恒的。对称性的美感在于细节并不重要，无论粒子质量是多少，涉及哪种相互作用，都无关紧要，无论如何电荷都是守恒的。

直到最近，绝大多数物理学家才普遍认为，同样的情况应该也发生在真空能的问题上，也许有一些隐藏的深层对称性亟待被发现，而它们正是导致宇宙学常数的各部分来源相互抵消的原因。自20世纪70年代以来，为了寻找这种对称性，科学家们，包括许多当今顶尖的理论物理学家，都进行了许多尝试。然而，经过几十年的努力，研究仍然毫无进展，宇宙学常数问题依旧是一个艰巨的难题。

巧合问题

“任何巧合，”马普尔小姐自言自语道，“都值得注意。如果它真的只是一个巧合，那你可以稍后再弃置不顾。”

——阿加莎·克里斯蒂

20世纪90年代末，有两个天文学研究组宣称他们找到了非零的宇宙学常数的证据，震惊了整个天文学界。正如我们在第9章中所讨论的，这一发现对于暴胀理论来说具有积极意义，它表明真空的质量（或者说能量）密度刚好让宇宙变为平直的；但是对于粒子理论来说，这是一个可怕的消息。

用美丽的对称性来解决宇宙学常数问题，这个目标现在看起来越来越遥远了。对称性看起来无懈可击，它不会留下一丝一毫未被抵消的真空能。然而，从观测数据中得出的宇宙学常数数值看起来非常可疑，以至于大多数粒子物理学家和宇宙学家都拒绝接受它，甚至希望它赶紧消失。

由观测得到的真空质量密度略高于平均物质密度的两倍，也就是说这两种密度是大小相当的，并没有大很多或是小很多，这是一个令人费解的结果。尤其令人吃惊的是，物质密度和真空密度在宇宙膨胀过程中的表现非常不同，真空密度保持不变（对于同一块真空来说），但是物质密度会随着体积增加而减小。如果今天这两种密度差不多，那么在最后散射时（即原子核与电子结合成原子，让宇宙变透明之前）物质密度会是真空密度的10亿倍，而在大爆炸后1秒这个倍数是1045。在遥远的将来，这种比例将被逆转，物质密度将会远小于真空密度，比方说1万亿年后，物质密度将减小到现在的1050分之一。

因此，在宇宙的大部分历史中，物质密度与真空密度都有着显着的差异。那么为什么我们能碰巧生活在这样一个两种密度彼此相近的时代呢？考虑到物质密度数值的巨大跨度，这种巧合更显得不同寻常，以至于我们很难仅仅视其为一个“巧合”。

看起来，大自然似乎试图告诉我们一些什么，但是就像以往那样，我们无法轻易读懂它传递的信息。为什么自然界的一个基本常数，就比如宇宙学常数，会恰好与人类存在的这个特定时代的物质密度有关呢？也许这两者之间有着某些不为人知的联系，但是这种想法听上去又非常荒谬。这让粒子物理学界完全摸不着头脑。

还有一个值得注意的事实令局势更加奇特。在有关宇宙学常数的观测开展之前，就已经有人从理论上预测了一个非零的宇宙学常数，其数值和观测值相差不大。但问题是，这个理论预测基于所谓的人择原理，而人择原理是一个充满争议的想法，大多数爱惜羽毛的物理学家都像躲瘟疫一样躲着它。

1纳秒就是十亿分之一秒。

20世纪90年代末，才有了第一次令人信服的电磁真空涨落测量，而早在几十年前，荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔（Hendrik Casimir）就已经提出了相关的实验设想。两块金属板彼此平行地被放置于真空中，电磁振荡在金属中会受到抑制，因此两块板之间的空间中的真空涨落会减少。因此，金属板外表面由于电磁场涨落而产生的压力会大于内侧的压力，从而产生一个将金属板相互推近的合力。这个力非常小，而且随着板间距的增加而迅速衰减。此次测量中两块金属板相距1微米。

玻色子和费米子分别得名于印度物理学家萨蒂延德拉·玻色和美国物理学家恩里科·费米，两人分别阐明了这两种粒子的独特性质。

格拉斯曼数得名于19世纪德国数学家赫尔曼