1900年，英國物理學(xué)家威廉·湯姆生發(fā)表了題為“在熱和光動力理論上空的19世紀烏云”的演講。此時此刻的物理學(xué)家們似乎認為物理學(xué)的大廈已經(jīng)建立起來了，剩下的工作就是些縫縫補補的打雜活。

威廉·湯姆生

但是這兩朵烏云毫無消散的意愿，一個是黑體輻射問題，一個是光速問題。以現(xiàn)代時空觀角度來看，正是這兩朵在當(dāng)時看起來不怎么重要的烏云卻徹底將物理學(xué)的大廈推倒，重新構(gòu)建起來了。黑體輻射問題的解決造就了量子力學(xué)，光速問題的解決造就了相對論。

量子力學(xué)和相對論的建立已經(jīng)過去了一個世紀。這一百年內(nèi)，再也沒有出現(xiàn)類似量子力學(xué)和相對論這樣劃時代的物理理論的出現(xiàn)。

然而現(xiàn)代物理學(xué)天空上的烏云數(shù)量遠超19世紀。或許下一場物理學(xué)的革命就蘊藏在這些烏云里。所以我將開設(shè)一個新的專題，持續(xù)更新十幾期現(xiàn)代物理學(xué)烏云的內(nèi)容。

現(xiàn)代物理學(xué)烏云大致分為62種，純理論方面的烏云28種，有科學(xué)解釋，但是缺乏合理證據(jù)的烏云有34種。

我計劃將一些比較迫切，且可能造成物理學(xué)重大突破的烏云單獨列出來做一系列內(nèi)容。

本期內(nèi)容的主題先從最迫切解決的真空災(zāi)變開始

前面有一期內(nèi)容科普過真空非空的概念。在量子力學(xué)中，即便在空間中移除掉所有物質(zhì)，真空中依然會殘留一部分能量，這部分能量就是零點能量。在空無一物的真空中，零點能量可以變成真空能量。

按照量子場論的估計，真空的零點能密度為10∧121GeV／m3

但是從旅行者探測衛(wèi)星測量到數(shù)據(jù)分析，真空能量密度的上限是10∧14Gev／m3

理論預(yù)測和測量到的真空能量密度數(shù)值居然相差了107個數(shù)量級。所以量子場論預(yù)測的真空能量密度也被稱為物理學(xué)史上最差勁的預(yù)測。

如果僅相差一個數(shù)量級，我們還能懷疑測量數(shù)據(jù)可能存在誤差。數(shù)量級差距如此巨大，基本上將問題的矛盾直指量子場論。所以我們不得不懷疑量子場論存在重大漏洞。

咱們先看看量子場論是怎么預(yù)測真空能量的

真空不空且具有能量，主要是是因為真空中總會憑空出現(xiàn)正反粒子對，正反粒子對的能量是向真空借的，暫時會打破能量守恒定律，然后憑空出現(xiàn)的正反粒子對會馬上湮滅，又將能量還給真空。

從宏觀上來看，能量守恒定律是成立的。

按照海森堡的不確定性原理，微觀粒子的位置和動量不可能同時精確測量出來，粒子動量測得越精準，位置越不準。真空中憑空出現(xiàn)正反粒子可以稱為虛粒子，虛粒子也符合不確定性原理。這些虛粒子消失得越快，意味著位置變化越小，位置精確度越高，動量就越大，所以能量也就越大。

如果虛粒子存在的時間接近無限小，那么能量就無限大，這和事實不符。所以虛粒子存在的時間不能無限小，必須有個限定值，虛粒子存在的時間底限可以取普朗克時間。問題是，一旦將普朗克時間作為虛粒子存在的時間下限時，計算出真空能量密度會比觀測值高出整整107個數(shù)量級。

現(xiàn)在只能有三種解釋

第一：量子場論需要重新修訂。

第二：觀測方式有誤，但是這種可能性基本上可以排除。

第三：需要引入新的理論解釋，或者存在未知的物理機制抵消了理論和觀測之間的巨大差值。這個差值得解決可能要引入量子引力理論。

但是量子引力理論自身也是物理學(xué)仍未解決的一朵烏云。所以下一期內(nèi)容將深入解讀量子引力理論！