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量子波動的力量：你知道零點能量如何影響宇宙的運行嗎？
零點能量（ZPE）是量子力學系統可能擁有的最低能量。與經典力學不同的是，量子系統即使在其最低能量狀態下也會不斷波動，這一現象由海森堡不確定性原理所描述。因此，即使在絕對零度下，原子和分子也仍會保持某種振動運動。除了原子和分子之外，真空的空間也擁有這些屬性。根據量子場論，宇宙不應視為孤立的粒子，而應視為持續波動的場：物質場，其量子為費米子（即輕子和夸克），以及力場，其量子為玻色子（例如光子和膺子）。所有這些場都有零點能量。這些波動的零點場重新引入了一種以太的概念，因為某些系統能夠檢測到這種能量的存在。然而，這個以太不應被視為一種物理媒介，以保持與愛因斯坦的特殊相對論相一致。零點能量的概念在宇宙學中也非常重要，目前物理學缺乏完整的理論模型來理解在這一背景下的零點能量；特別是，理論和觀察之間的真空能量差異仍然是一個主要爭論的源頭。
許多物理學家認為「真空掌握著對自然的全面理解的關鍵」。
根據愛因斯坦的一般相對論，任何這樣的能量都會產生引力，而來自宇宙膨脹、暗能源及卡西米爾效應的實驗證據表明，這樣的能量相當微弱。一個試圖解決此問題的提議認為，費米子場擁有負的零點能量，而玻色子場擁有正的零點能量，這樣這些能量在某種程度上會相互抵消。如果超對稱是自然界的精確對稱，那麼這一觀點將是成立的；然而，位於CERN的大型強子對撞機迄今為止並未找到任何支持的證據。此外，已知如果超對稱存在，它最多是一種破損的對稱，只在非常高的能量下成立，目前尚無人能在我們當前觀察到的低能量宇宙中展現一種零點能量抵消的理論。這一差異被稱為宇宙常數問題，它是物理學中最大且未解的謎題之一。
零點能量的詞源及術語
零點能量（ZPE）一詞來源於德語„Nullpunktsenergie”。有時與此詞互換使用的還有零點輻射和基態能量等術語。當提及具體的真空場時，可以使用零點場（ZPF）。例如，量子電動力學（QED）真空專門處理光子、電子與真空的相互作用，或量子色動力學（QCD）真空則處理夸克、膺子與真空的顏色電荷相互作用。真空可被視為不是空蕩蕩的空間，而是所有零點場的組合。在量子場論中，這些場的組合被稱作真空狀態，其相關的零點能量稱為真空能量，而其平均能量值稱為真空期望值（VEV），也稱為其凝聚態。
概述
在經典力學中，所有粒子可被視為擁有一些由潛在能量和動能組成的能量。舉例來說，溫度是由動能引起的隨機粒子運動強度（即布朗運動）。當溫度降低至絕對零度時，人們會認為所有運動都停止，粒子完全靜止。然而，事實上在最低可能的溫度下，粒子仍會保留運動能量。與零點能量相關的隨機運動從不消失；這是量子力學不確定性原理的結果。根據不確定性原理，任何物體都無法同時擁有精確的位置和速度值。量子力學物體的總能量（潛在能量和動能）由其哈密頓量描述，這也描述了系統作為一個諧振子或波函數，在各種能量狀態之間波動（見波粒二象性）。所有量子力學系統即使在其基態下也會經歷波動，這是它們波動性質的結果。不確定性原理要求每一個量子機械系統擁有一個波動的零點能量，這一能量大於其經典潛在井的最小值。這就導致即便在絕對零度時也會發生運動。例如，在大氣壓下，液氦無法結冰，原因正是由於它的零點能量。
「真空中包含的任何能量都可視為質量的源泉，用以創造粒子。」
現代物理學已經發展出量子場論（QFT）以理解物質和力之間的基本相互作用；它將空間中的每一個點視為量子諧振子。根據QFT，宇宙由物質場組成，其量子為費米子（如輕子和夸克），以及力場，其量子為玻色子（如光子和膺子）。所有這些場都有零點能量。近期的實驗支持粒子本身可以視為潛在量子真空的激發態，且物質的所有特性僅僅是來自於零點場相互作用的真空波動。此种「空的」空間擁有與之相關的內在能量，且不存在「真正的真空」的想法似乎是直觀上難以接受的。人們常常爭辯說，整個宇宙都完全浸泡在零點輻射中，因此它只能對計算提供一個常數值。在許多實用計算中，零點能量在數學模型中會被簡化為一個不具有物理效應的項。這種處理造成了一些問題，因為在愛因斯坦的一般相對論中，空間的絕對能量值並不是一個任意常數，並且會導致宇宙常數的產生。數十年以來，大多數物理學家認為存在某種未發現的基本原則，將去除無限零點能量，使之完全消失。如果真空沒有內在的絕對能量值，它就不會產生引力。人們認為隨著宇宙從大爆炸的後果中膨脹，每一個單位的空間所包含的能量將隨著能量的擴展而降低，宇宙中的星系和所有物質應該開始減速。然而，1998年的發現推翻了這一可能性，因為現發現宇宙的擴張不僅未減速，實際上是在快速加速，這表明空的空間確實擁有某種內在的能量。
零點能量被視作解釋暗能量的最佳方案，但目前的挑戰在於為何其值與理論中獲得的巨大值之間存在如此小的差距。
許多與零點能量相關的物理效應已經得到實驗驗證，如自發輻射、卡西米爾力、藍姆位移、電子的磁偶極子以及德爾布魯克散射等。這些效應通常被稱為「輻射修正」。在更複雜的非線性理論（例如，QCD）中，零點能量可能引發各種複雜現象，如多重穩定態、對稱破缺、混沌和出現。目前的研究熱點包括虛粒子的效應、量子糾纏、慣性質量和引力質量之間的差異（如果有的話）、光速的變化、宇宙常數的觀察值原因以及暗能量的本質等。如何解釋和理解這些問題，將是物理學未來的重要課題。
那麼，你認為零點能量在揭示宇宙運行奧秘上能發揮多大作用？
