Page 281 - 物质的绝对运动——相对论和量子力学的物理起源

P   （14.21）

一般认为，参数ω是一个负数，其绝对值小于 1。ω决定能量密度在宇宙膨胀过程中的变化
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  （14.22）
R 3  1 
R 是标度因子。如果暗能量的ω的取值范围为-1＜ω＜0，那么暗能量密度比物质（ω=0）的
能量密度减少要慢。在过去，暗能量密度比辐射或物质能量密度小得多，在结构形成和微波
背景辐射的均匀性上并未发挥作用。到现在，暗能量的比重增加，其重要性就明显了，宇宙
膨胀的加速就被观察到了。但是，暗能量的状态参数ω也可以是演化的，不同的暗能量模型
可能有不同的演化行为，ω的取值可能大于-1，也可能小于-1，还可能跨过-1。至于ω究竟取
值如何，目前并无定论。
关于暗能量的物理实质仍然众说纷纭，在众多的暗能量模型中，目前最受关注的仍然是
宇宙学常数模型。该模型认为，暗能量实际上就是真空能。根据量子场论，各种场的基态就
是真空态，且基态能量并不等于零。设真空存在一个能量（质量）密度ρ0，它应该相当于爱
因斯坦场方程的宇宙常数Λ，它和宇宙常数项一样，可以起到与引力相抗衡的排斥作用，因
为真空的状态方程要求，和一定能量密度相联系的压强为负，这与普通物质刚好相反。不幸
的是，量子场论估算出的真空能量密度ρ0 的值要比天体物理所能容许的相应的Λ值大几十个
数量级。这个难以解释的差别带给物理学家们极大的困惑，而对于宇宙学和量子场论来说，
它都是不能回避的、带有根本性的问题。
从宇宙演化的角度看，标准大爆炸宇宙模型无疑是比较成功的理论，它实际上是天文学
和天体物理学观测以及广义相对论、粒子物理学与核物理相结合的产物。由哈勃时间 th 可知，
宇宙大约起源于 137 亿年前，从一个时空奇点爆炸开始，大致经历了宇宙创生时期（0＜t ＜
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10 s）、普朗克时期（t ～10 s）、大统一时期（10 s ＜t ＜10 s）、暴涨时期（10 s ＜
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t ＜10 s）、夸克-轻子时期（10 s ＜t ＜10 s）、强子-轻子时期（10 s ＜t ＜1s）、核
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合成时期（1s ＜t ＜2×10 年）、星系时期（2×10 年 ＜t ＜10 年）和恒星时期（t ＞10 9
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年）。除了宇宙创生阶段外，其它各演化阶段都有比较可靠的理论和观测依据。而宇宙创生
时期没有直接的观测依据，理论上也不很清楚，一般认为相对论和量子场论是应当起作用的，
但如何把这两个基本理论统一起来去探讨这个时期，目前还没有成熟的理论，只有霍金等人
做过一些初步的尝试，他们把这个时间和空间都混沌不清的状态叫做“虚时空”。到了普朗
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克时期，宇宙的能量为普朗克能量 Epl ≈10 GeV，温度约为 10 K，引力的量子性不显著，
广义相对论可以适用，这时，“虚时空”发生所谓“超大统一相变”，实时空形成，时间和
空间原则上可以测量，引力作用首先分化出来。接着便是大统一时期，强、弱、电磁三种作
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用是统一的，光子、轻子、夸克等基本粒子产生，但可以在 10 GeV 以上的温度下通过交换
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X、Y 玻色子而相互转化。当温度降至 10 K（10 GeV）这一临界温度时，开始发生破坏大
统一状态的真空相变，先是宇宙的空间尺度随时间以指数规律急剧地暴涨约 43 个量级，使
宇宙气体温度骤然大幅下降，处于高度过冷状态，然后由于相变过程中释放的巨大能量，温
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度快速回升到临界温度附近，直到 10 s，最后完成大统一相变，强相互作用与电弱相互作
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用分离，夸克与轻子相互独立，开始夸克-轻子时代。t ～10 s 时，温度降至 10 K（300GeV）
±
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附近，粒子碰撞能量不足以产生自由 W 和 Z 粒子，中间玻色子消失，电弱统一结束，弱相
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互作用与电磁相互作用分离。t ～10 s 时，温度降至 10 K（300MeV），夸克被禁闭，凝
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聚成重子和介子，开始强子-轻子时代。到大约 1s 时，温度降至 10 K，中微子能量降到不
足以与强子-轻子体系作用，脱耦退出热平衡，这时质子不再能通过俘获电子转变为中子，
核合成时代开始。中子开始衰变为质子，正负电子不断湮灭转化为光子，这时光子数目大大
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超过具有静质量的粒子，其比例约为 10 ：1，宇宙中以光子辐射为主。t =4s 时，中子不再
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