基本介紹
- 中文名：量子真空相互作用
- 類型：科學
- 相關：量子真空
- 術語：電子海
概念,相互作用,物理淵源,進化理論,
概念
一般意義上的真空指沒有任何實物粒子存在的空間，但什麼都沒有的空間是不存在的。而假設你把一個空間的氣體都趕跑，會發現還是不時有基本粒子在真空中出現又消失，無中生有。物理上的真空實際上是一片不停波動的能量之海。當能量達到波峰，能量轉化為一對對正反基本粒子，當能量達到波谷，一對對正反基本粒子又相互湮滅，轉化為能量。1930年狄拉克提出真空是充滿了負能態的電子海。當負能態的電子吸收了足夠的能量躍遷到正能態成為普通電子時，電子海中才能留下可觀測的空穴，即正電子。從體系的能量角度考查，這種情況比只有電子海的真空狀態要高，因此真空就是能量最低的狀態。從現代量子場論的觀點看，每一種粒子對應於一種量子場，粒子就是對應的場量子化的場量子。當空間存在某種粒子時，表明那種量子場處於激發態；反之不存在粒子時，就意味著場處於基態。因此，真空是沒有任何場量子被激發的狀態，或者說真空是量子場系統的基態。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面之一（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系統的最低能量狀態。然而，它遠遠不只是一種系統的狀態，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。儘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，哪裡有物質，哪裡就有狄拉克海，可觀察到的宇宙就好像漂浮在其表面上。
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，那么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。與質量相聯繫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，那么它就會把所有膨脹的恆星和星系凝縮進劇變的和完全不可想像的“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。
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。這裡，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。
標準的知識認為真空零點場是均質的和各向同性的，這一信條從量子電動力學那裡推演而來，因為它允許優美的和自洽的數學計算，所以大多數物理學家都贊成它。然而，還有其他方法來處理這一現象，比如隨機電動力學，這裡，真空被看作是恆定的量子漲落場。充滿著漲落能量場的真空究竟是什麼呢？如果真空真是這種場，那么儘管它不太簡單和不太優美，但這一替代理論就將更接近真理，這將給物理學家一個暫時思考的機會。愛因斯坦說得好：要使我們的理論儘可能簡單棗但不是更簡單。
作為物質的運動和行為方式的基礎的場具有其自身的結構，這一點對物理學而言並不新鮮。愛因斯坦的相對論也假設了一種有結構的場：時空連續統。這種場與物質的真實世界相互作用，但是至少在原來的解釋上，它不具有自身的實在性棗它是純粹的幾何學的。最近許多物理學家已經對這一假設開始提出質疑。義大利的利卡塔和德國的雷夸特，還有其他人，提出了相對宇宙的理論，在這種宇宙中時空就不是抽象的幾何，而是根植於量子真空的物理學上的一種實在的場。匈牙利物理學家L·賈諾希(L.J醤ossy)在幾十年前就做了這樣的開創性研究，他把著名的相對論效應（物體的速度接近光速時時鐘變慢，物體的質量增長）歸因於真實世界和量子真空的相互作用。當物體加速到接近光速時，物體的物質粒子與真空的力椓W�(force梡articles)相互摩擦，而這一摩擦就減慢了它們的過程和增加了它們的質量。根據這一不同觀點，真空不是一種抽象的幾何結構（就像愛因斯坦的時空那樣），它是一種真實的物理場，並與已知宇宙的物質粒子進行相互作用。
現在我們假設，量子真空相對於通過其運動的粒子而言是一種超流體，粒子和由它們構成的粒子不可能記錄其存在，因為對它們來說真空是不存在。由於我們的身體和大腦由真實世界正能量粒子所構成，而這些粒子的集合體通過真空運動就好像通過超流體一樣，因而我們的感覺器官，以及最敏感的儀器都不能記錄我們的通過。所以我們也許會得到原諒：認為在我們和我們的世界周圍不存在像能量海這樣的東西。
但是真空不像無摩擦的超流體那樣表現得恆定和連續，正如前蘇聯物理學家P·卡皮查(PriotrKapitza)指出的，在這樣的介質中，只有那些處於恆常準均勻運動中的物體才沒有摩擦地運動。如果一個物體猛烈地加速，就會在介質中產生渦旋，這些渦旋產生阻力，因而就影響表面。例如，在超流體氦的渦旋中，猛烈加速的木塊或紙片就帶向前，很像在經典流體中。
按照伽達格對愛因斯坦相對論的解釋，那些著名的公式描述了超流體真空中玻色子的流動。這一玻色子流是決定時空幾何結構，因而也是決定真實世界質子和電子軌跡的因素。當光和物質粒子均勻地運動時，時空是歐幾里德的。但當它們加速或減速時，真空就與它們的運動相互作用，因此時空就出現彎曲。
很清楚，量子真空是宇宙的一個非常有意義的要素，即使保守的猜測也將承認，它大大超過了歸結於經典理論中真空的意義。經典理論已經接受了這樣的觀點：基本粒子的行為方式受真空的影響，但是它沒有追蹤物質椖芰康暮旯凼瀾纈肓孔誘嬋罩?淶南嗷プ饔謾H歡??誑蒲г齔け咴瞪系牡苯裱芯咳銜??嬋沼牒旯鬯?繳銜鍰宓目曬鄄斕氖瀾韁?淶南嗷プ饔枚雜諼頤搶斫饈翟詰謀局適腔?鏡暮陀杏玫摹?俄羅斯物理學家和生物物理學家小組的工作在這裡有特殊的意義，A·阿基莫夫（A.Akimov）、G·I·西普夫（G.I.Shipov）、V·N·賓赫（V.N.Binghi）及其合作者們提出了一個“物理學真空”的精緻的理論。在他們的理論中，真空是延伸在整個宇宙中的一種真實的物理物質，它記錄和傳輸了粒子和其他物體的蹤跡。如果它被廣泛的實驗所證實（這已經開始），那么這一理論將使往後許多年的物理學發生革命性變化。
儘管在概念上和數學解釋上很抽象，但俄羅斯人的“物理真空的扭力場理論”的內容是簡單的、基本的。該理論聲稱，從粒子到星系的所有物體都在創生真空中的渦旋。由粒子和其他物質物體創生的這種渦旋是信息攜帶者，它把物理事件準瞬時地聯結起來。
當然，信號是否真的傳輸得比光快還需要實驗的證實。科學家已經建造了一個“扭力場發生器”，它以60吉赫茲運行，預計在1999年把它送入太空，它安裝在火星探測器上。該發生器將從火星上傳送扭力波到地球，如果它與光信號在相同的時候發射，那么預言扭力波將要比光早到地球整整8分鐘。
扭力波不僅是超亮的，而且也是持久的。由旋轉扭力相互作用而產生的亞穩“扭力幻影”能夠甚至在不存在產生它們的物體的情況下存在。這些幻影的存在已經由在俄羅斯科學院生物化學物理研究所工作的V·波波寧(V．Poponin)同他的小組用實驗證實了。在美國的哈特曼斯研究所波波寧反覆進行了實驗，他把一個DNA分子樣品放到一個溫度控制好的室中並把它置於雷射束下，發現該室周圍的電磁場顯示出一種特殊的結構，多少不等地與預期的相符。但是他也發現了，當DNA本身已經從受雷射輻射的室移走之後好久，這一結構仍存在：在該場中DNA的痕跡當DNA不在那兒時繼續存在。波波寧和他的合作者得出結論說，實驗顯示，一種新的場結構已經被物理學真空所驅使，這種場是非常敏感的，它能被接近於零點的能量所激勵。他們宣稱，幻影效應是迄今為止被忽視的真空亞結構的顯現。
我們在這一章里所描述的理論確實是革命性的：它們提出要對相對論和量子論中的基本信條加以重新考慮。這些理論的世界觀意義也具有同等重要的革命性。在正在出現的圖景中，宇宙的真正基礎在其作用過程中扮演了一個具有活力的角色。生命，甚至心靈是經典意義上稱為“物質”的波包系統與作為基礎的和相互關聯的物理意義上的真實真空場之間的恆常相互作用的一種顯現。
物理淵源
我們還不能確切地知道能提供現象間普遍聯繫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。這裡，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。
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年麥可遜開始了一系列的實驗來驗證他的“曳力係數”。但是1887年莫雷作出結論，這一系列的天才實驗證明，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，儘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)普適靜止參照系，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。儘管在愛因斯坦的相對論中以太被相對於觀察者的參照系所取代，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，“在次級和相干場理論中，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”，它作為一種超參照系結構起作用，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。①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在這裡等於或大於四。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。②
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巨觀物體加速運動的洛倫茲力。①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系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），那么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（在狄拉克海方面）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。當麥可遜?1913年G·桑奈克(GeorgesSagnac)就已經作出不同的發現。他證實，在轉動坐標系中光的速度並不是恆定的，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。②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麥可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。①
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，在紀念麥可遜。與桑奈克的實驗不同，謝爾弗托斯的實驗顯示，光速恆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。②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。而另一方面，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面積成正比，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。”①
最後我們應注意到，關於零點能的起源，光速的恆定和質量、引力、慣性的類物質特性的仍未解決的問題無論多么困難，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面都可以用經典的計算來解決。海奇等人指出，儘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。①這樣，只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。
儘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面和更深層次的問題，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。
新宇宙觀與準總體圖景的套用和推廣
我們在建立關於自然和經驗等主要領域的“準總體圖景”的嘗試中已確認出“缺少的因素”，現在我們將要探索當我們以這種新的眼光審視這個世界、萬事和我們自身時，展現在我們眼前的統一圖景。
我們已經發現，這個缺少的因素就是一種能夠說明自然界的秩序和組織連續地進化的有序化原則。這樣的原則不可能是盲目的機遇，無論這個世界是如何構成的，機遇可能產生差異性，卻不能產生一致性。這個原則也不可能是另一個範圍的實在中的某種先在秩序，因為這種秩序既是不可檢驗的，也是有限的。而進化必定是無止境的，並且必定發生在整個宇宙中。
能夠說明自然界進化的有序化原則的探索已經導致產生一個新的科學領域棗一種稱之為亞量子全息場動力學的“真空物理學”。世界“自下而上”形成秩序，並不意味著它是由其部分機械地集合而成的，這個特殊的“底層”並不是部分，而是一個整體棗有亞量子全息場的整個宇宙。這是通過其各種要素之間的相互作用而使自身形成秩序的整體系統。這是在回顧探索統一理論的歷史時已經獲得的一種看法。
闡明的統一理論就產生了一幅世界的特殊圖景，這是一幅宇宙的圖景：宇宙中的現象不斷地得到一種宇宙記憶場（即ψ場）的信息。這種反饋產生ψ效應，即有一種微妙的提示引導“現在”與“過去”一致。這種效應增加了進化過程的效率，也導致了進化產物之間的一致性，還促進了對新事物的探索。這種充滿記憶的，自相一致的，且富有變革性的宇宙圖景可能使我們感到既陌生又驚奇，或者可能使我們感到異常熟悉。健康的直覺往往被正確的理論所證實，這是一種證實我們最好的直覺的好理論的標誌，“原來如此”的經驗常常是證實過程的組成部分。
不論它是陌生的和令人驚奇的，還是異常熟悉的，都要重新考慮這個進化著的宇宙的主要領域。首先，我們探索作為一個整體的宇宙的進化；其次，考察物理世界中的各種現象，把它們綜合在一個框架內進行解釋；再次，研究生物界；最後，轉向人類的經驗領域，在那裡我們會對意識世界的迷人景象作統一說明。
