作為物理學前沿獨立的思辨理論,宇宙學的當前工作把真空看作是一種有意義的能量場。人們認為它是宇宙中物質的最初源泉:當足夠的能量注入到狄拉克方程所預言的負能態粒子中,粒子就從狄拉克海中的虛態轉變為時空中的實態。人們還認為,真空是宇宙中合成的物質粒子的最終的壑。然而,量子真空並不僅僅是物質的源和壑,最近的證據顯示,它也能對物質粒子的行為產生激活影響。例如,當電子從一能態向另一能態躍遷時,真空的零點能就會與繞核電子相互作用而產生可觀察到的物理效應,它們發射的光子出現“蘭姆移位”:頻率偏離正常值的微小移動。還存在一種卡西米效應(Casimir-effect),當真空的零點能在空間上緊靠在一起的兩塊金屬板上產生輻射壓力時就會出現。在兩塊金屬板之間真空場的某些波長被排斥在外,因此相對於外部的場而言它的能量密度就降低了,這就產生了把金屬板向內推使之靠在一起的壓力。
物理學中的創造性研究工作更進一步揭示了物質和量子真空之間的相互作用。在1970年代中期,P·戴維斯(Paul·Davies)和W·恩羅(WillianUnruh)證明,穿越真空的勻速運動將顯示出各向同性光譜,而加速運動則會產生破壞方向對稱性的熱輻射。
外力的作用下物體或者處於靜止或者處於勻速運動狀態的特性,它成了經典運動定律的一部分。在這種偽裝下,它成了物質的一個基本的定量特性,然而它沒有揭示出它是如何與物質物體相關聯的。E·馬赫(Ernst·mach)認為慣性應當與宇宙中的所有物質相關,愛因斯坦試圖把這一原理整合到廣義相對論中去,但是他們都沒有能提供令人信服的證明。最近海奇(Haisch)、羅達(Rueda)和普瑟夫提出了一種數學理論,該理論把慣性描述為起源於更基本層次和反抗宏觀物體加速運動的洛倫茲力。自然物體穿越真空的加速運動產生一種磁場,按洛倫茲公式,構成該物體的粒子就被這一磁場所偏轉。物體越大,包含的粒子就越多,因而偏轉就越厲害,慣性也就越大。按照這一理論,慣性是真空零點場的光譜畸變在加速參照係中產生的一種電磁阻力。由此看來,如果慣性和引力質量是同一的,不可區分的(愛因斯坦的等效原理),那麼質量本身就是在加速的電荷和零點電磁場相互作用的過程中產生的。這樣,真空的零點場也許就是物理宇宙的真正基本要素,即它不僅是微觀粒子(在狄拉克海方麵)的產生源泉,而且似乎還是物質內在特性(如質量,慣性和引力)的產生源泉。
根據一項有關的但仍有爭議的發現,真空也與在其中傳播的光子相互作用。當邁克爾遜1913年G·桑奈克(GeorgesSagnac)就已經作出不同的發現。他證實,在轉動坐標係中光的速度並不是恒定的,而是隨轉動的方向而變化。他堅持認為這些結果支持了惠更斯和菲涅耳的光的經典理論,並證明了以太的存在。桑奈克的解釋後來受到了其他人的質疑,這些人中包括P·朗之萬。而朗之萬的解釋又受到了H·伊維斯(Herbert·Ives)的質疑。伊維斯把彭加勒的相對性原理運用到邁克爾遜內精心建立洛倫茲運動方程,該理論不用相對時空的假定而解釋了通常被引用來支持相對論的實驗結果。
關於光子傳播的更明確的證據是由E·謝爾弗托斯(Ernest·Silvertooth)提出的。1987年,在紀念邁克爾遜。與桑奈克的實驗不同,謝爾弗托斯的實驗顯示,光速恒定也不適用於光的直線傳播。地球看上去以某一絕對速度在宇宙空間運動,謝爾弗托斯測得的這一速度的值(378±19km/s)與天文家獨立測定的同宇宙背景輻射有關的地球運動的值(365±18km/s)相吻合,與蒙斯坦(Monstein)的宇宙線分布各向異性的結論也相吻合。因此,內光向後和向前速度的平均值是常數,這正是狹義相對論所需要的。而另一方麵,他們並沒有證明不管觀察者是否運動,光的單向速度也同樣是常數。
真空中的零點能的起源是另一個沒有解決的問題。這些真空能或許是在宇宙誕生時作為邊界條件的一部分任意確定下來的,或許它們是由帶電粒子的運動逐漸產生的,普瑟夫堅持要論證後者。普瑟夫估計了由於時空中量子漲落而導致粒子輻射的特性(根據帶電粒子發射電磁輻射的理論,在空間中的輻射遵循該點到發射源距離的平方成反比的規律衰減)。由於以給定點源為中心的殼層內帶電粒子的平均體積分布與殼層的麵積成正比,因此來自於環繞殼層的輻射總量就會產生一種高能密度的輻射場,普瑟夫把它看作是真空零點場。他的計算表明,由零點場驅動的偶極振子的零點場輻射的吸收和再發射產生一種局部平衡過程:由零點場驅動的偶極子產生的輻射場恰好替補了來自零點場背景的被吸收了的輻射,這樣,相對於頻率和角分布兩者而言就都有了一個具體的平衡基礎。產生這種場的帶電粒子的反饋環以及由該粒子產生的場的吸收是在大尺度上自我產生的。給定電荷所在的局部零點能背景來自於充滿宇宙其餘部分的零點場中的帶電粒子的運動所產生的輻射。根據普瑟夫模型,充滿宇宙的零點場的能量由量子的運動連續地產生,宇宙中所有粒子的總運動又驅動量子的運動,從而產生“自我創生的宇宙反饋循環。”
最後我們應注意到,關於零點能的起源,光速的恒定和質量、引力、慣性的類物質特性的仍未解決的問題無論多麼困難,但真空證明是描述量子場方程中的一個有意義的因子,這種量子場是在電磁學和量子理論的統一中得到的。正如自1960年開始進行的統計電動力學的研究工作所表明的,當真空中的漲落被看作是既定的已知事件時,量子行為的許多令人迷惑不解的方麵都可以用經典的計算來解決。海奇等人指出,盡管宣稱所有的量子現象都可以由統計電動力學來解釋還為時過早,但有可能這一宣稱將來會被證明是正確的。這樣,隻要零點場被作為實在的一種基本要素包含在內,人們就可以把經典物理學定律當作是對物理實在的基本正確的描述。
盡管在以上的討論中我們還不能考慮當前與真空相關的理論的所有方麵和更深層次的問題,但是我們已經就真空與宇宙中可觀察到的事物的相互作用是一種顯著的物理現象這一結論提出證據。這樣,我們就有充分的理由去探索真空是否可能成為保證宇宙相互作用的宇宙場的物理基礎了,而這種宇宙場正是物理和生物協調進化過程所需要的。
三、量子真空相互作用
一條細線把關於量子真空的已經知道的和接受的東西同仍然還在思索和爭論的東西劃分開。因為當今知識還充滿概念黑洞,所以我們堅信不久將出現進一步的洞察,而物理學家正在追蹤這種神秘,並提出新理論和新方式來檢驗它們。這裏,我們來考察最有希望的探索,期望(如果不是最後結論的話)它們無論如何也是一條正確的道路。