狄拉克之海是暗能量吗？

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狄拉克之海是量子真空零点能组成的负能量粒子海，又有人说暗能量源于量子真空。暗能量不可见，狄拉克之海也不可见。那么，狄拉克之海可否理解为暗能量之海？
作者：一点资讯

522008

写在前面的结论： 狄拉克之海确实是一个过时的概念。但是在量子场论中，真空确确实实有能量，这部分能量会是暗能量吗？答案是我们不清楚，真空能在广义相对论中确实表现出了一些贴近于我们所观察到的暗能量的性质，当然也有很多地方没办法解释。同时也有其他一些模型能够解释目前的暗能量，譬如宇宙学常数的引入，以及其他一些模型。
所以，我们只能说，真空能是暗能量的候选者之一，但具体是否是暗能量，还有待于理论和观测的进一步发展。


题纲：
1.为什么需要暗能量？他解释了什么问题？
2.我们现在的观测要求暗能量具有什么性质？
3.真空能为什么可以解释暗能量？那又有哪些问题？


1.为什么需要有暗能量？他解释了什么问题？
这一切都要从宇宙膨胀开始。历史上是由哈勃最早发现宇宙正在膨胀，他利用多普勒效应去测量宇宙中遥远的星系的光谱。根据多普勒效应，远离我们的星系发出的光会变红而靠近我们的光会变蓝，如果速度越快那么偏离的程度会越大。
哈勃测量了许多的星系的光谱，惊人的发现，所有的星系都在远离我们，宇宙正在膨胀。而宇宙开始于一次巨大的大爆炸。

而且远离我们的速度和他们远离我们的距离成正比，这种远离并不是来自于这些星系真的在运动，而是我们的空间正在膨胀。一个比较简单的比喻就是气球，如果一个气球正在膨胀，那么气球上的两点的距离自然就会被拉开，距离越远的两点远离的速度会越快。而这个距离与原理速度的比值，被称之为哈勃常数，来纪念哈勃。

上世纪九十年代，几位天文学家利用一些现代方法，更加精细的测量哈勃常数，但他们却意外地发现宇宙正在加速膨胀。他们由此获得了2011年的诺贝尔奖。

三位获得2011年诺贝尔物理学奖的天文学家
他们测量了非常大量的遥远星系距离我们的距离，以及他们远离我们的速度（即红移）。因为我们所看到的遥远星系的光传播到地球需要非常长的时间，因此我们看到的星系都是非常古老的星系，对于哈勃常数的精细测量，也可以看到不同时间宇宙的哈勃常数。

对于哈勃常数的测量，虚线是匀速膨胀的宇宙，实线是实际测量的宇宙
上图是他们最早发布的测量结果，他们发现更加遥远的星系远离的速度比理论值比现在要更慢，那么就意味着以前的宇宙膨胀的更慢，宇宙正在加速膨胀。这超出了所有我们现有的理论，因为在我们的引力中，所有物质都应该相互吸引，因为吸引的作用宇宙应该减速膨胀，事实却是加速。科学家们只能假设一种我们所不知道的能量促进了宇宙的加速，这种能量被称之为是暗能量。


2.暗能量需要满足什么样的性质？
根据广义相对论，我们可以得到我们的宇宙膨胀方程 ，宇宙本身的度规可以写作 。而哈勃常数被写作是 。那么根据方程我们可以非常简单的看出，方程的左侧如果需要加速膨胀，密度的符号和压强的符号相反，即意味着我们需要一种拥有负压强的物质，它能够在宇宙中表现为斥力，同时他不能破坏爱因斯坦场方程本身的协变性和能动量张量的各种对称性。
有两种方案满足这些要求，真空能量以及宇宙学常数。我们先讲宇宙学常数，他仅仅只是在爱因斯坦场方程中将 ，因此在方程中总是体现为一个对角项，代入后将会变成一个额外的类似于负压强的项，这一项本质上是可以调整的。
既然本质上是一种物质，那么应当满足能动量张量方程， ，然后我们可以令 来得到一种全新的物态，代入宇宙学方程，可以得到
宇宙在真空能下是可以膨胀的。真空能和宇宙学常数是不可区分的，他们在场方程中起到完全一样的效果，因此我们唯象的认为宇宙学常数和真空能是同样的。


3.真空能有哪些性质以及问题？
在场论中，我们总是知道物质有零点能 。在卡西米尔效应中，我们可以直接去测量这个真空能。两块板中间会因为允许存在的模更少，从而受到外界的压力，这在实验中是可以被测量的。
由于宇宙学常数，或者真空能总是可以被写成 ，所以有 ,满足了我们对于暗能量的要求。

上面已经提到了，真空能可以在引力中表现为一种负压力，那么它具体数值是多少呢？
在量子场论中我们可以直接计算 ，来得到真空能相关的量级。当我们取 的普朗克长度的时候，那么我们得到的真空能量级大约在 ，而真实宇宙中却为 ，中间相差了大约140个数量级，这个是无法想象的。再更加精细的考虑中，这个差距被缩小到了50个数量级，但对于一个物理理论来说是极度不成熟的。因此作为一个候选者，真空能具有很多优势，但是也具有很多待解决的问题，等待科学家进一步探索。

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不能，毫无关联可言。现代量子场论不需要这个充满低能量电子的假说。

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不是

Dirac海其实是狄拉克为了解决量子力学Dirac方程中出现的负能量（注意，不是暗能量）而提出的一种解释，有其成功之处

但就像波尔的原子模型一样，其也有许多问题，比如，对玻色子的无效性，以及正电子结构的不可解释性（虽然这个模型最早预言了正电子存在）

详细的内容可以看：喀兴林，高等量子力学，高等教育出版社

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先说结论：我认为狄拉克之海不可以理解为暗能量之海！
为什么呢？下面详说：
回答结论之前，我们首先想要明白这么几个问题：
（1）什么是狄拉克之海？
（2）什么是暗物质？
（3）狄拉克之海与暗物质的关系？

（1）什么是狄拉克之海？（声明：来自百度百科）

狄拉克之海是英国物理学家保罗·狄拉克在1928年为解释狄拉克方程的自由粒子解中出现反常的负能量态而提出的真空理论假说。
他提出一个真空中实际充满了无限多的具有负能量的粒子态，因而这样的真空模型被称作“狄拉克之海”。狄拉克在这个真空中假想了正电子的存在，它们作为电子的反物质粒子，被认为是狄拉克之海中的一个洞；而正电子的存在则在1932年由卡尔·安德森在实验中证实。





（2）什么是暗物质？

暗物质是一种因存在现有理论无法解释的现象而假想出的物质，比电子和光子还要小的物质，不带电荷，不与电子发生干扰，能够穿越电磁波和引力场，是宇宙的重要组成部分。
暗物质-暗能量是影响当今量子粒子物理+天体物理的“两片乌云”，暗物质的密度非常小，但是数量庞大，因此它的总质量很大，它们代表了宇宙中96%的物质含量，其中人类可见的只占宇宙总物质量的5%不到（约4.9%）。
暗物质“未来”的仪器可以直接观测得到，但它能干扰星体发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到。
暗物质中的“暗物质粒子”的存在有可能是量子粒子物理的弱相互作用力的大质量重粒子的极化粒子类似于“磁单极粒子”的跃迁线性粒子。
暗物质存在的最早证据来源于对矮椭球星系旋转速度的观测。现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、天文观测和膨胀宇宙论研究表明：宇宙的密度可能由约68.3%的暗能量，4.9%的重子物质，26.8%暗物质组成。暗物质是一种未知的物质，科学家认为宇宙绝大部分由其构成。
（3）狄拉克之海与暗物质的关系？

通过对比可以得出，简言之，任何宇宙起初是由无数物质和反物质构成的，物质和反物质的湮灭产生的无数的正负电子对，形成所谓的迪拉克之海。