[美]H.R.佩格斯 1988年10月第1版
（節(jié)選）
存在和虛無
亞里斯多德說，”自然是厭惡真空的”。他觀察到，當(dāng)我們想把全部物質(zhì)從一個空間區(qū)域移走時，物質(zhì)總是傾向于要沖進(jìn)來并且充滿這個空的區(qū)域。物質(zhì)無處不在?，F(xiàn)代的概念正好和他的相反——宇宙中物質(zhì)只是少數(shù)的例外。恒星間大部分空間是空的或近乎是空的，甚至固體物質(zhì)內(nèi)大部分也是空的，幾乎全部質(zhì)量都集中在極小的原于核內(nèi)。差不多每一件東西都是真空．
關(guān)于真空的舊觀念——真空是空無一物的空間，其中不存在任何東西——也已經(jīng)改變了。在30年代和40年代創(chuàng)立了相對論量子場論以后，物理學(xué)家產(chǎn)生了新的真空概念，即真空并不是空無一物的，而是充實的。真空，空的空間，實際上由不斷地進(jìn)行者自發(fā)產(chǎn)生與湮滅的粒子和反粒子組成，全部量子，物理學(xué)家已發(fā)現(xiàn)的和即將發(fā)現(xiàn)的，都在善惡決戰(zhàn)中產(chǎn)生和消滅，這就是真空。怎么可能是這樣呢？空間看上去是空的，這是因為所有量子的產(chǎn)生和消滅都是在極短的時間和極小的距離內(nèi)發(fā)生的。在大范圍內(nèi)真空顯得很平靜和溫和，就象我們乘坐噴氣機在高空飛越大洋時，海洋顯得非常平靜一樣。但當(dāng)我們乘坐一只小船在海面上行駛時，海有時是兇猛的，惡浪翻滾。同樣，若我們很近地觀察的話，隨著量子的產(chǎn)生和消滅真空也有漲落。即使我們在原子水平上觀察，雖然這些真空的量子漲落極小，但仍可以觀察到?；趯υ谀芗壍臏y量，物理學(xué)家知道真空漲落確實存在，如果他們能夠在更小的距離內(nèi)觀察，那真空就會顯出象一個波濤翻滾的各種量子的海。新的物理觀點不認(rèn)為“自然厭惡真空”‘而是主張“真空就是全部物理”。一切已存在的和可能存在的都已潛伏在“空無一物”的空間中了。物理學(xué)家在深刻地理解了海森堡測不準(zhǔn)原理和存在反粒子的意義后才產(chǎn)生出這非凡的關(guān)于真空的觀念。下面看看它的道理如何。
現(xiàn)代物理的一條嚴(yán)格的定律就是能量守恒定律。我們想象由一個能量會計員來核算這定律，會計員隨時記錄下在物理作用中的總能量。在他的分類帳中記錄能量的消費和收入，這兩項必須完全平衡。這就是能量守恒定律。
如果現(xiàn)在將這定律應(yīng)用到量子相互作用的世界，那就要運用海森堡測不準(zhǔn)關(guān)系。測不準(zhǔn)關(guān)系意味著，假使我們在一個短的但確定的時間間隔內(nèi)測量象電子那樣的一個量子的能量，那么能量測量的不確定度和測量時間間隔成反比。這就是說，對于很短的時間間隔，量子能量測量的不確定度就會很大。這意味著在短時間內(nèi)，能量會計員在能量收入和支出項上必定會出差錯。顯然在長時間范圍內(nèi)誤差的平均是零。能量守恒定律斷言量子是不能“無中生有”的，但測不準(zhǔn)關(guān)系意味著這論證 有一個漏洞。量子能夠在短時間內(nèi)“無中生有”。能量計算中的誤差就象真空海上的波浪。在某些地方浪較高，而在另一些地方較低，但如果我們從高處看，看到的是它們的平均，一個平靜的海。能量會計員造成的隨機誤差正是實在的統(tǒng)計性和玩骰子上帝的另一個表現(xiàn)。真空隨機地在有與無之間漲落。
因為能量在短時間內(nèi)是不確定的，原則上量子能存在于空蕩的空間內(nèi)然后很快地消失。這種產(chǎn)生后又馬上消失的量子稱作虛量子。當(dāng)只有足夠的能量時，虛量子能成為一個真量子，一個真實粒子．這些虛量子就象能量會計員弄出的差錯一樣它們有一個虛的實在，但最終它們必定要消失。如果我們能從外在源向真空提供需要的能量，那么真空中的虛粒子就能變?yōu)檎鎸嵉摹＞拖蟾嬖V能量會計員他有一筆信用帳目，因此一項收入誤差不—定必須用一項支出誤差來抵梢。在實驗室中確實真正觀察到由虛量子產(chǎn)生實粒子的過程。真空中的虛量子應(yīng)該考慮為是由虛粒子和它的反粒子組成的粒子對。在空間一點粒子及其反粒子虛存在且很快相互涅滅，這就是真空漲落。粒子對的質(zhì)量越低，它們由真空產(chǎn)生的幾率越大因為實現(xiàn)這點所要求的能量差額小。結(jié)果在真空海上最大的波浪就是電子—正電子對，因為它們是質(zhì)量最小的粒子。較重的粒子對相應(yīng)子較小的浪。每一種可想象到的量子，甚至那些尚未發(fā)現(xiàn)的量子在真空海上都有其相應(yīng)的浪。全部物理——我們希望要知道的一切——正在真空由等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。
另一種使真空形象化的方法是象我們前面所講過的那樣將量子場和三維床墊類比。充滿整個空間的床墊彈簧是無限小的，每個彈簧的振動相應(yīng)于一個量子粒子。我們將真空想象成一個沒有彈簧振動的彈簧格點陣——不存在實粒子。然而由于海森堡測不準(zhǔn)原理，我們永遠(yuǎn)也不能嚴(yán)格地肯定一個彈簧沒有振動。因此彈簧在相應(yīng)于實粒子的水平下是允許振動的。這些振動相應(yīng)于虛量子——海洋上的浪。如果我們向這些振動提供能量，那振動會增加到變成實粒子的水平。真空中充滿著每一種可能的量子的振動。
這一非凡的“無”的概念是相對論量子場論的新理論思想出成果。關(guān)于真空的新思想在理論上是可以理解的，但需要對這極妙的思想進(jìn)行實驗驗證。物理學(xué)家如何來測定這些真空中虛量子的影響呢？
在原子核和軌道電子之間的大部分空間可以認(rèn)為是空的，而這也正是物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)新的真空效應(yīng)的所在。虛量子產(chǎn)生和湮滅的一個效果就是繞原子核運動的軌道電子的能量有小的移動。這是因為把電子束縛在原子核周圍軌道上的電場有時會從真空中翻滾的虛量子海里產(chǎn)生出一對電子—正電子。電子對又很快地湮滅。這稱為真空極化的效應(yīng)將使電自繞原子核的軌道略有變化。實驗家威列斯·蘭姆(Willis Lam b)以極高的精確度測定了氫原子的一條電子軌道的變化。他使用的是在二次大戰(zhàn)中隨雷達(dá)技術(shù)而發(fā)展起來的精密微波技術(shù)。很有意思的是，蘭姆測量的結(jié)果可以和用量子場論即量子電動力學(xué)的理論計算值相比較。如果不考慮真空極化的效應(yīng)，那計算值和蘭姆實驗不一致。事實上蘭姆的測量結(jié)果和考慮真空極化效應(yīng)的計算值精確地符合。真空中虛光子的幻影有了一個真實的效應(yīng)。
雖然有許多實驗證實了理論家們預(yù)言的真空極化效應(yīng)而證實真空新概念的最有力的證據(jù)來自電子·正電子對撞機上的工作。在70年代這種對撞機首次運行，一束高能電子(物質(zhì))和一束反向運行的正電子(反物質(zhì))碰撞。物質(zhì)和反物質(zhì)的碰撞提供了真空漲落的虛粒子對變?yōu)檎鎸嵈嬖谒枰哪芰俊?div style="height:15px;">
對撞機通過向真空供給能量的方法，來實際偵察真空的結(jié)構(gòu)。用這方法從真空中將夸克—反夸克對變?yōu)檎鎸嵙Ｗ?。這是發(fā)現(xiàn)新夸克，例如糜夸克的一種方法。糜夸克和反糜夸克對只是真空海上一個小小的波浪，一旦物理學(xué)家提供了足夠的能量，它就能以一種新強子的形式出現(xiàn)于真實存在中，物理學(xué)家期望用這技術(shù)將真空中的虛量子轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵙Ｗ樱l(fā)現(xiàn)更多的新形式的物質(zhì)。用碰撞束向真空提供能量來創(chuàng)造物質(zhì)，這將是80年代實驗物理學(xué)家的主要工作。
一旦我們的思想接受了物質(zhì)的可變性和關(guān)于真空的新概念就可能對宇宙的起源作出推測。可能宇宙本身就是從“無”——巨大的真空漲落即今天我們稱為的大爆炸——中變?yōu)檎鎸嵉拇嬖?。顯然，這種可能性是近代物理定律允許的。亞里斯多德認(rèn)為宇宙是永恒的。但他的追隨者湯瑪斯·阿奎納斯(Thomas Aquinas)和他的觀點不同，認(rèn)為世界是從空無一物中產(chǎn)生出來的。整個宇宙可能是“無”——真空的一種表現(xiàn)。本世紀(jì)物理發(fā)展的進(jìn)程是具有諷刺意味的。十九世紀(jì)和二十世紀(jì)初期的特征是唯物主義者的觀點，根據(jù)這觀點世界真實有的和沒有的之間有著鮮明的區(qū)別。今天看來區(qū)別仍然存在但它的含意已改變了。所謂的不存在，虛無或真空，只是“謎的永恒制造者”做出的一個惡作劇。理論和實驗物理學(xué)家現(xiàn)在正在研究虛無——真空。但是虛無卻包含著所有的存在。
本貼于2005-11-22 14:07:03在
樂趣園 →
哲學(xué)宗教 →
青青蓮華佛學(xué)論壇發(fā)表
