量子真空相互作用

量子真空相互作用引进量子真空现在的证据正在不断增多：相互关联的全息场是一种宇宙量子真空的特殊显现形式。但是，究竟什么是量子真空呢？这一术语似乎很神秘，因为它代表了物理宇宙的最重要方面之一（虽然人们对其知之甚少），所以它完全值得我们去进行更深入地考察。在当代量子物理学中，量子真空被定义为其方程既遵守波动力学也遵守狭义相对论的系统的最低能量状态。然而，它远远不只是一种系统的状态，它也是神秘的“零点能”场（“zero-pointenergy”field）显示自己的地方，这种场的能量当所有其他场处在零点能的时候就会出现。零点能是“实际的”能，但它们与经典的电磁力、引力和核力并不一样，不过，它们是宇宙的电磁力、引力和核力的真正源泉。正由于此，它们也是束缚于质量中的能（居住在已知宇宙中的物质粒子）的创生源泉。作为量子真空基础的零点能场的专业定义显示，它是一种几乎无限的，在其中物质粒子成为显现的亚结构的能量海。根据英国物理学家P·狄拉克的计算，在正能态中所有粒子都有负能量的对应配对物（到目前为止，所有这样的现存已知粒子的“反粒子”都已经通过实验发现了）。量子真空的零点能组成了“狄拉克海”：负能量的粒子海。尽管这些粒子是不可观察的，但它们决不是虚幻的，如果用足够的能量（数量级在1020J/cm3）去激励真空零点场的负能态，那个场的特定区域就能被“踢”进真实的（即可观察到的）正能态。这一过程称之为粒子偶产生：正能（现实的）粒子与其反粒子一起从场中出现。这样，哪里有物质，哪里就有狄拉克海，可观察到的宇宙就好像漂浮在其表面上。尽管今天的绝大多数科学家对这种神秘的能量领域仍相当无知，但对它的兴趣正很快增长。现在人们已经知道，正是量子真空才创生了可观察的宇宙（当它的区域[闵可夫斯基真空]变得急剧地不稳定并分裂成物质和引力时），正是这一宏大的能量场（宇宙随后的和更为平静地膨胀的罗伯孙椡叨薣Robertson-Walker]阶段）才合成了存在于空间和时间中的物质粒子。人们还知道，量子真空不仅是宇宙中物质的源泉，而且还是物质的渊薮。S·霍金著名的黑洞理论显示，在黑洞的“事件范围”内，真空中合成的粒子偶中的一个粒子就会逃进周围空间，而它的“同胎反粒子”则被吸进黑洞，在那儿它衰变回真空零点场。这种场包含巨大的能量密度，J·惠勒估计它的密度等于1094g/cm3，乍看上去并不令人惊心动魄，而实际上这一数量比我们已知宇宙的所有物质还要多。与这一能级相比，原子核的能量密度（宇宙中最密实的能量块）看来是小巫见大巫了：它仅仅是1013g/cm3。如果真空零点场的能量是普通的正能量，那么宇宙就将立即崩坍为比针尖还要小的体积（或实际上为原子的直径），这是根据爱因斯坦著名的公式E=mc2（该公式定义了能量和质量之间的等量关系）得出的结论。与质量相联系的真实能量与特定的万有引力的大小相对应，这样一来，如果巨大的真空能量是真实能量，那么它就会把所有膨胀的恒星和星系凝缩进剧变的和完全不可想象的“破灭点”。但是，至少直到我们宇宙的最终阶段（即我们现存的宇宙周期的最终阶段），物质世界相对于这种最终的灾难来说是安全的。今天和未来的几十亿年内，已知的宇宙仍将继续漂浮在这一巨大能量场的顶部，更确切地说，它将继续与之共同存在，就像一组气泡悬挂在其中一样。我们所知道的和我们作为其一部分的物质世界并不是真空零点场的一种凝固体，而是真正的一种薄雾体。量子真空相互作用一条细线把关于量子真空的已经知道的和接受的东西同仍然还在思索和争论的东西划分开。因为当今知识还充满概念黑洞，所以我们坚信不久将出现进一步的洞察，而物理学家正在追踪这种神秘，并提出新理论和新方式来检验它们。这里，我们来考察最有希望的探索，期望（如果不是最后结论的话）它们无论如何也是一条正确的道路。标准的知识认为真空零点场是均质的和各向同性的，这一信条从量子电动力学那里推演而来，因为它允许优美的和自洽的数学计算，所以大多数物理学家都赞成它。然而，还有其他方法来处理这一现象，比如随机电动力学，这里，真空被看作是恒定的量子涨落场。充满着涨落能量场的真空究竟是什么呢？如果真空真是这种场，那么尽管它不太简单和不太优美，但这一替代理论就将更接近真理，这将给物理学家一个暂时思考的机会。爱因斯坦说得好：要使我们的理论尽可能简单枣但不是更简单。作为物质的运动和行为方式的基础的场具有其自身的结构，这一点对物理学而言并不新鲜。爱因斯坦的相对论也假设了一种有结构的场：时空连续统。这种场与物质的真实世界相互作用，但是至少在原来的解释上，它不具有自身的实在性枣它是纯粹的几何学的。最近许多物理学家已经对这一假设开始提出质疑。意大利的利卡塔和德国的雷夸特，还有其他人，提出了相对宇宙的理论，在这种宇宙中时空就不是抽象的几何，而是根植于量子真空的物理学上的一种实在的场。匈牙利物理学家L·贾诺希(L.J醤ossy)在几十年前就做了这样的开创性研究，他把著名的相对论效应（物体的速度接近光速时时钟变慢，物体的质量增长）归因于真实世界和量子真空的相互作用。当物体加速到接近光速时，物体的物质粒子与真空的力椓Ｗ�(force梡articles)相互摩擦，而这一摩擦就减慢了它们的过程和增加了它们的质量。根据这一不同观点，真空不是一种抽象的几何结构（就像爱因斯坦的时空那样），它是一种真实的物理场，并与已知宇宙的物质粒子进行相互作用。L·伽达格(L醩zl驡azdag)坚持认为真空场的能量是可以观察的，实际上也是可以测量的，尽管不是在所有情况下都能这样。真空的能量场（为简单起见，我们在此之后把它描述为真空的能量）的行为方式就像一种超流体。大家知道，超流体具有奇怪的特性，例如对极低温下的氦而言，所有阻力和摩擦都消失了，它通过狭缝和毛细管时因此就不损失任何能量。同样，物体通过该液体运动时也遇不到任何阻力（因为电子通过它运动也没有阻力，所以超流体同时也是超导体）。这样从某种意义上说，对通过其运动的物体或电子而言，超导超流体就不在“那儿”枣即它们得不到其存在的任何信息，如果电子具有测量仪器，那它们想记录或追踪它的企图就会完全失败。现在我们假设，量子真空相对于通过其运动的粒子而言是一种超流体，粒子和由它们构成的粒子不可能记录其存在，因为对它们来说真空是不存在。由于我们的身体和大脑由真实世界正能量粒子所构成，而这些粒子的集合体通过真空运动就好像通过超流体一样，因而我们的感觉器官，以及最敏感的仪器都不能记录我们的通过。所以我们也许会得到原谅：认为在我们和我们的世界周围不存在像能量海这样的东西。但是真空不像无摩擦的超流体那样表现得恒定和连续，正如前苏联物理学家P·卡皮查(PriotrKapitza)指出的，在这样的介质中，只有那些处于恒常准均匀运动中的物体才没有摩擦地运动。如果一个物体猛烈地加速，就会在介质中产生涡旋，这些涡旋产生阻力，因而就影响表面。例如，在超流体氦的涡旋中，猛烈加速的木块或纸片就带向前，很像在经典流体中。如果类似的效应在量子真空中出现，那么不处于恒定和准均匀运动的真实世界粒子就将被通过其运动的能量场所影响，这就会产生著名的相对论效应。它还将产生真实世界粒子的更通常的特性：惯性，引力和电磁力。按照伽达格对爱因斯坦相对论的解释，那些著名的公式描述了超流体真空中玻色子的流动。这一玻色子流是决定时空几何结构，因而也是决定真实世界质子和电子轨迹的因素。当光和物质粒子均匀地运动时，时空是欧几里德的。但当它们加速或减速时，真空就与它们的运动相互作用，因此时空就出现弯曲。很清楚，量子真空是宇宙的一个非常有意义的要素，即使保守的猜测也将承认，它大大超过了归结于经典理论中真空的意义。经典理论已经接受了这样的观点：基本粒子的行为方式受真空的影响，但是它没有追踪物质椖芰康暮旯凼澜缬肓孔诱婵罩涞南嗷プ饔谩Ｈ欢诳蒲г龀け咴瞪系牡苯裱芯咳衔婵沼牒旯鬯缴衔锾宓目晒鄄斓氖澜缰涞南嗷プ饔枚杂谖颐抢斫馐翟诘谋局适腔镜暮陀杏玫摹俄罗斯物理学家和生物物理学家小组的工作在这里有特殊的意义，A·阿基莫夫（A.Akimov）、G·I·西普夫（G.I.Shipov）、V·N·宾赫（V.N.Binghi）及其合作者们提出了一个“物理学真空”的精致的理论。在他们的理论中，真空是延伸在整个宇宙中的一种真实的物理物质，它记录和传输了粒子和其他物体的踪迹。如果它被广泛的实验所证实（这已经开始），那么这一理论将使往后许多年的物理学发生革命性变化。尽管在概念上和数学解释上很抽象，但俄罗斯人的“物理真空的扭力场理论”的内容是简单的、基本的。该理论声称，从粒子到星系的所有物体都在创生真空中的涡旋。由粒子和其他物质物体创生的这种涡旋是信息携带者，它把物理事件准瞬时地联结起来。当然，信号是否真的传输得比光快还需要实验的证实。科学家已经建造了一个“扭力场发生器”，它以60吉赫兹运行，预计在1999年把它送入太空，它安装在火星探测器上。该发生器将从火星上发送扭力波到地球，如果它与光信号在相同的时候发射，那么预言扭力波将要比光早到地球整整8分钟。扭力波不仅是超亮的，而且也是持久的。由旋转扭力相互作用而产生的亚稳“扭力幻影”能够甚至在不存在产生它们的物体的情况下存在。这些幻影的存在已经由在俄罗斯科学院生物化学物理研究所工作的V·波波宁(V．Poponin)同他的小组用实验证实了。在美国的哈特曼斯研究所波波宁反复进行了实验，他把一个DNA分子样品放到一个温度控制好的室中并把它置于激光束下，发现该室周围的电磁场显示出一种特殊的结构，多少不等地与预期的相符。但是他也发现了，当DNA本身已经从受激光辐射的室移走之后好久，这一结构仍存在：在该场中DNA的痕迹当DNA不在那儿时继续存在。波波宁和他的合作者得出结论说，实验显示，一种新的场结构已经被物理学真空所驱使，这种场是非常敏感的，它能被接近于零点的能量所激励。他们宣称，幻影效应是迄今为止被忽视的真空亚结构的显现。我们在这一章里所描述的理论确实是革命性的：它们提出要对相对论和量子论中的基本信条加以重新考虑。这些理论的世界观意义也具有同等重要的革命性。在正在出现的图景中，宇宙的真正基础在其作用过程中扮演了一个具有活力的角色。生命，甚至心灵是经典意义上称为“物质”的波包系统与作为基础的和相互关联的物理意义上的真实真空场之间的恒常相互作用的一种显现。量子真空的物理渊源我们还不能确切地知道能提供现象间普遍联系的信息场的物理渊源，但我们可以提出合理的假设进行探索。这里，我们将沿着大卫·玻姆这样的科学家的足迹前进。玻姆研究了类似于量子真空的有关内容，即规定宇宙基态的潜能场。必须注意的第一件事是，量子真空显示了所谓的零点能枣即当其他所有的力都消失，且温度接近绝对零度时所具有的能。因此，真空并不是空的空间，而是一种充满零点能的涨落场，它是19世纪传播光的以太概念的后继者。那时以太概念具有显著的意义：它解释了物体在不进行直接接触时是如何相互作用的。菲涅耳进行了精确的，可用实验检验的“以太曳力”计算，1881年迈克尔逊开始了一系列的实验来验证他的“曳力系数”。但是1887年莫雷作出结论，这一系列的天才实验证明，根本不存在以太曳力这种东西。本世纪，物理学家用宇宙真空的概念代替了充满以太空间的概念。他们推测，尽管宇宙在最低能量状态中的有关粒子具有能量，但宇宙的基态仍无物质和引力：它近似真空。人们认为，令人烦恼的零点能可以通过对方程的重正化的数学方法来加以消除，这就得到了与观察值基本一致的结果。由于爱因斯坦公式也不需要类以太的(ether-like)普适静止参照系，所以无物质的空间被看作是量子真空。然而，在计算物理效应时把零点能忽略不计的假定也是无根据的，真空零点场也许并不仅仅是一种可以轻易抛弃的自然界的可有可无的玩物，它可以传输各种物理效应。尽管在爱因斯坦的相对论中以太被相对于观察者的参照系所取代，但爱因斯坦自己仍关注着扩大了的以太概念的内在意义。1924年他说，“在次级和相干场理论中，基本粒子构成粒子态空间在这种情况下所有物体又再一次被包含在以太概念中”。大约在此前后，他还思忖着可能存在一种引导场，即在给玻尔的信中所用的一句讽刺语