量子真空相互作用(1 / 3)

量子真空相互作用

真正的統一場理論的基本概念是普遍的相互關聯。實際上這種理論的真正意義是能把原子和星係,老鼠和人,大腦和心靈相互聯係起來,並把每一個信息反饋給所有事物,又把所有事物的信息反饋給每一個事物。

這一“宇宙間的聯網”是否在宇宙中真實地存在呢?很明顯,僅僅“假設”所需要的場是不夠的,雖然這是一個簡單的程序,但它不是科學。科學必須遵守14世紀威廉·奧卡姆所確立的規律:如無必要,勿增實體。生物學家並不能自由地提出“生命力”來解釋生物有機體為什麼具有與生命有關的功能,心理學家也不能提出“愛力”(loveforce)來解釋人是怎樣相愛的,同樣,科學家也不能僅僅為了填補當前科學知識結構中的空隙而假設第五種力。隻有當這樣做是解釋某些發現或觀察的最簡單、最經濟和最合理的方式時,新實體(可能是力或場)才能被假設出來。

像有時發生的那樣,要發現相互關聯場,並無必要假設一種特別的新實體,科學家可以把那種場與已經知道存在於自然界中的場聯係起來。

一、引進量子真空

現在的證據正在不斷增多:相互關聯的全息場是一種宇宙量子真空的特殊顯現形式。但是,究竟什麼是量子真空呢?這一術語似乎很神秘,因為它代表了物理宇宙的最重要方麵之一(雖然人們對其知之甚少),所以它完全值得我們去進行更深入地考察。

在當代量子物理學中,量子真空被定義為其方程既遵守波動力學也遵守狹義相對論的係統的最低能量狀態。然而,它遠遠不隻是一種係統的狀態,它也是神秘的“零點能”場(“zero-pointenergy”field)顯示自己的地方,這種場的能量當所有其他場處在零點能的時候就會出現。零點能是“實際的”能,但它們與經典的電磁力、引力和核力並不一樣,不過,它們是宇宙的電磁力、引力和核力的真正源泉。正由於此,它們也是束縛於質量中的能(居住在已知宇宙中的物質粒子)的創生源泉。

作為量子真空基礎的零點能場的專業定義顯示,它是一種幾乎無限的,在其中物質粒子成為顯現的亞結構的能量海。根據英國物理學家P·狄拉克的計算,在正能態中所有粒子都有負能量的對應配對物(到目前為止,所有這樣的現存已知粒子的“反粒子”都已經通過實驗發現了)。量子真空的零點能組成了“狄拉克海”:負能量的粒子海。盡管這些粒子是不可觀察的,但它們決不是虛幻的,如果用足夠的能量(數量級在1020J/cm3)去激勵真空零點場的負能態,那個場的特定區域就能被“踢”進真實的(即可觀察到的)正能態。這一過程稱之為粒子偶產生:正能(現實的)粒子與其反粒子一起從場中出現。這樣,哪裏有物質,哪裏就有狄拉克海,可觀察到的宇宙就好像漂浮在其表麵上。

盡管今天的絕大多數科學家對這種神秘的能量領域仍相當無知,但對它的興趣正很快增長。現在人們已經知道,正是量子真空才創生了可觀察的宇宙(當它的區域[閔可夫斯基真空]變得急劇地不穩定並分裂成物質和引力時),正是這一宏大的能量場(宇宙隨後的和更為平靜地膨脹的羅伯孫椡叨薣Robertson-Walker]階段)才合成了存在於空間和時間中的物質粒子。人們還知道,量子真空不僅是宇宙中物質的源泉,而且還是物質的淵藪。S·霍金著名的黑洞理論顯示,在黑洞的“事件範圍”內,真空中合成的粒子偶中的一個粒子就會逃進周圍空間,而它的“同胎反粒子”則被吸進黑洞,在那兒它衰變回真空零點場。

這種場包含巨大的能量密度,J·惠勒估計它的密度等於1094g/cm3,乍看上去並不令人驚心動魄,而實際上這一數量比我們已知宇宙的所有物質還要多。與這一能級相比,原子核的能量密度(宇宙中最密實的能量塊)看來是小巫見大巫了:它僅僅是1013g/cm3。

如果真空零點場的能量是普通的正能量,那麼宇宙就將立即崩坍為比針尖還要小的體積(或實際上為原子的直徑),這是根據愛因斯坦著名的公式E=mc2(該公式定義了能量和質量之間的等量關係)得出的結論。與質量相聯係的真實能量與特定的萬有引力的大小相對應,這樣一來,如果巨大的真空能量是真實能量,那麼它就會把所有膨脹的恒星和星係凝縮進劇變的和完全不可想象的“破滅點”。

但是,至少直到我們宇宙的最終階段(即我們現存的宇宙周期的最終階段),物質世界相對於這種最終的災難來說是安全的。今天和未來的幾十億年內,已知的宇宙仍將繼續漂浮在這一巨大能量場的頂部,更確切地說,它將繼續與之共同存在,就像一組氣泡懸掛在其中一樣。我們所知道的和我們作為其一部分的物質世界並不是真空零點場的一種凝固體,而是真正的一種薄霧體。

二、量子真空的物理淵源

我們還不能確切地知道能提供現象間普遍聯係的信息場的物理淵源,但我們可以提出合理的假設進行探索。這裏,我們將沿著大衛·玻姆這樣的科學家的足跡前進。玻姆研究了類似於量子真空的有關內容,即規定宇宙基態的潛能場。

必須注意的第一件事是,量子真空顯示了所謂的零點能棗即當其他所有的力都消失,且溫度接近絕對零度時所具有的能。因此,真空並不是空的空間,而是一種充滿零點能的漲落場,它是19世紀傳播光的以太概念的後繼者。

那時以太概念具有顯著的意義:它解釋了物體在不進行直接接觸時是如何相互作用的。菲涅耳進行了精確的,可用實驗檢驗的“以太曳力”計算,1881年邁克爾遜開始了一係列的實驗來驗證他的“曳力係數”。但是1887年莫雷作出結論,這一係列的天才實驗證明,根本不存在以太曳力這種東西。

本世紀,物理學家用宇宙真空的概念代替了充滿以太空間的概念。他們推測,盡管宇宙在最低能量狀態中的有關粒子具有能量,但宇宙的基態仍無物質和引力:它近似真空。人們認為,令人煩惱的零點能可以通過對方程的重正化的數學方法來加以消除,這就得到了與觀察值基本一致的結果。由於愛因斯坦公式也不需要類以太的(ether-like)普適靜止參照係,所以無物質的空間被看作是量子真空。

然而,在計算物理效應時把零點能忽略不計的假定也是無根據的,真空零點場也許並不僅僅是一種可以輕易拋棄的自然界的可有可無的玩物,它可以傳輸各種物理效應。盡管在愛因斯坦的相對論中以太被相對於觀察者的參照係所取代,但愛因斯坦自己仍關注著擴大了的以太概念的內在意義。1924年他說,“在次級和相幹場理論中,基本粒子構成粒子態空間在這種情況下所有物體又再一次被包含在以太概念中”。大約在此前後,他還思忖著可能存在一種引導場,即在給玻爾的信中所用的一句諷刺語棗與光子運動相關的一種幽靈場(ghostfield)。

愛因斯坦的直覺被物理學共同體中的先鋒派人物的新近工作所證實。一些物理學家現在把真空看作是對時空的一種物理學描述,他們認為量子力學是一種更為基本的真空層次上的“粗顆粒”理論。根據利卡塔的觀點,這一層次是“網狀時空”,它作為一種超參照係結構起作用,在這種結構中絕對變形由隨機度規張量描述,而特殊偏差則來自於洛倫茲不變本底中各向同性和同質性。這樣一來,洛倫茲變換就是由物質的時空運動所產生的實際的物理效應。緊接著,T·比爾登(ThomasBearden)又把靜電標量勢看作是量子真空中的n維應力,n在這裏等於或大於四。按比爾登的理論,真空就等於充滿能的時空:它負載著宇宙介質。這一介質的虛態決定著所有作為具有矢量和物質形式的能而出現的物理實在。