空間中的負能量“幽靈”閃光或揭示新物理學

當粒子超過介質設定的光速時出現的“光爆”現象，在特定情境下，可能意味著一種量子不穩定性，進而可能引發所謂的真空衰變。

巴黎-薩克雷大學的理論物理學家葉夫根尼·巴比切夫認為，如果在虛無的宇宙空間中觀察到切倫科夫輻射發出的詭異藍光，它或許可以被解讀為負能量“幽靈”擾動的一種表現。

這為什么重要？因為我們現有的引力理論是不完備的，而這樣一個信號將為了解時空在現有理論失效區域的行為提供難得的洞見，并有可能幫助我們縮小對更優引力模型的搜索范圍。

巴比切夫在其論文中寫道：“在這里，我們展示可以從同一視角來考慮兩個看似截然不同的物理效應——切倫科夫輻射和幽靈不穩定性。也就是說，我們將證明，可以將切倫科夫輻射解釋為一種伴隨著攜帶負能量的‘幽靈’產生的不穩定性。”

在物理學中，“幽靈”可以描述為為了使粒子理論在數學上自洽而引入的任何非物理因子。但它也可以指代一種物理上的負能量擾動，這與數學規范理論中的“幽靈”不同，它預示著一種不穩定性。

這里用水來類比會很有幫助。想象水面是一個基準面，是水所能處的最低能量狀態。要激起漣漪需要消耗能量，比如投入一顆石子；通常情況下，自然界不會在沒有能量輸入的情況下自發產生漣漪。

然而，在某些條件下，理論預測會出現一種攜帶負能量的擾動——“幽靈”。這看起來很像沒有投入石子提供能量就自發出現的漣漪。

這并非無中生有地創造能量。相反，系統可以通過產生一對擾動——一個正能量，一個負能量——來降低其總能量，從而使原始狀態變得不穩定。

在地球上，切倫科夫輻射是一種不穩定性在可見光波段的表現；當介質中的某種擾動在該介質中傳播的速度超過它所產生的‘漣漪’（即光波）時，就會發生這種現象，這類似于音爆的光學版本。漣漪不斷累積直到突然爆發形成“光爆”。這種現象通常在核反應堆中觀察到，那里帶電粒子在水中的速度超過了光速。

然而，根據已知物理定律，在真空中沒有任何東西能移動得比光快，因此真空中不應出現切倫科夫輻射的光爆現象。

巴比切夫在論文中解釋說，空無一物的空間中，幽靈不穩定性可能與超光速帶電粒子的行為非常相似，并以相同的方式產生切倫科夫光爆。他表示：“正如我們所展示的，這兩種過程的運動學——切倫科夫輻射與特定類型的幽靈不穩定性——確實完全等效。”

這將會徹底改變我們對物理宇宙的理解。在虛無中探測到切倫科夫輻射將意味著，宇宙真空至少在某些情況下可以表現得像一種具有結構、極限和儲存能量的介質，這有助于推進或排除一些對我們現有引力理論的修正提議。

反過來，這也將意味著我們對真空的定義是錯誤的或不完整的，它并非我們假設的宇宙最低能量狀態，從而迫使我們重新思考對一些非常基礎的物理學的理解。

這并非完全出乎意料；幾十年來，廣義相對論與量子力學之間的張力，早已預示著我們對于物理宇宙的理解存在空白。

目前，這一討論仍牢牢扎根于理論領域；論文并未提供任何實際手段來尋找這樣的探測信號。但一個堅實的理論是良好的第一步；探索這一構想提出的可能性，正是我們找出如何去尋找它的途徑。

巴比切夫寫道：“研究修正引力理論中這種不穩定的構型處于‘準穩定’狀態的情景會很有趣，即不穩定性的時間尺度遠長于相關的物理過程。例如，可以設想一個存在‘幽靈’的黑洞，但其不穩定速率小于準正則模的頻率。”

“未來研究的另一個方向，將是分析和數值模擬這類幽靈不穩定性在各類引力理論的具體解中是如何發展的。”

該論文已發表在《物理評論D》期刊上。

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