文/郭光燦 中科院院士
涂濤 中科院副教授
現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為，即使在不存在物質(zhì)的空間里，也有著某種“存在”。那么，這種“存在”究竟是什么呢？
真空不“空”
“真空”，字面上的意思似乎是空空如也。然而在物理學(xué)中，這個看似空無一物的概念卻有著異常豐富和令人著迷的內(nèi)容。
19世紀(jì)，物理學(xué)家比較流行的看法是“真空中充滿著以太”。直觀看來，波動是需要某種媒介的。既然電磁波能夠在整個空間傳播，那么宇宙空間就應(yīng)該彌漫著一種特殊的媒介，即以太。
亞里士多德認(rèn)為，世間萬物由火、水、土、氣4種元素構(gòu)成，且宇宙中充滿第5種元素——以太。
然而，著名的邁克耳孫-莫雷實驗否定了這種以太的存在。1905年，愛因斯坦提出了狹義相對論，摒棄了以太的概念：電磁場本身就是一種物質(zhì)，電磁波是它的運(yùn)動形式，不需要依賴以太這種媒介就可以在空間中傳播。
第一次量子革命誕生了量子力學(xué)，給人們打開了微觀世界的大門，也賦予了真空更加豐富的物理內(nèi)容。
20世紀(jì)20年代，狄拉克提出“真空是電子海”。他認(rèn)為，真空可以看成是填滿了所有負(fù)能量狀態(tài)的電子形成的大海，而我們通?？吹降膸в姓芰康碾娮?，則在這個海面上運(yùn)動。
50年代，費(fèi)曼等人提出了“真空漲落”的概念。他們認(rèn)為，真空中存在著大量的虛光子和正負(fù)電子對。電子在這樣一個真空背景中運(yùn)動，就好像包裹了一件由各種真空漲落形成的衣服。
圖像是粒子與反粒子因“漲落”而不斷產(chǎn)生與消失的示意圖。山峰表示高能狀態(tài)，成對生成粒子與反粒子。新生成的粒子與反粒子相撞后瞬間消失。從微觀尺度來看，不存在任何物質(zhì)的真空也是一個沸騰的世界。
60年代，包括溫伯格在內(nèi)的多位諾貝爾獎得主提出了“真空自發(fā)對稱破缺”的概念。他們認(rèn)為，系統(tǒng)的運(yùn)動具有某種對稱性，但是系統(tǒng)的基態(tài)或真空態(tài)卻不具有這種對稱性。宇宙中充滿著希格斯場，它的自發(fā)對稱破缺賦予了萬物的質(zhì)量。質(zhì)量的起源是物理學(xué)中最根本的問題之一，而真空在這里起到了核心作用。
到了70年代，幾位著名物理學(xué)家提出了“真空凝聚和真空相變”的概念。正如水有固、液、氣等好幾種相，通過溫度變化可以發(fā)生相變。他們認(rèn)為，在較低能量下，真空處于凝聚相；而在極高的能量時，真空可以發(fā)生相變，產(chǎn)生全新的物態(tài)。
20世紀(jì)90年代以來，量子信息的研究掀起了第二次量子革命。量子信息的基本單元是量子比特，量子比特可以處在兩個基本態(tài)的任意疊加態(tài)。多個量子比特能夠形成被愛因斯坦稱為“鬼魅般超距作用”的量子糾纏。處在糾纏態(tài)的粒子即使空間上分隔遙遠(yuǎn)，卻存在著量子關(guān)聯(lián)，稱為量子非局域性。量子信息視角下真空概念的研究，為回答基本物理問題提供了嶄新的契機(jī)。
惠勒曾經(jīng)提出一個令人深思的論斷：“萬物源于比特”（It from bit）。這種觀點(diǎn)認(rèn)為信息是非常基本的，宇宙萬物（包括任何粒子和場，甚至?xí)r空）都起源于信息的基本單元—比特。量子信息的研究興起以后，這一論斷升華為“萬物源于量子比特”（It from qubit）。這是一種全新形式的以太論—量子以太，眾多學(xué)者深入研究了這一饒有趣味且非常重要的概念。
包括筆者在內(nèi)的一些學(xué)者提出“只考慮量子比特（即二值理論）來構(gòu)建萬物理論是不夠用的?！蔽覀儚膶嶒炛邪l(fā)現(xiàn)，量子力學(xué)中有強(qiáng)于二值關(guān)聯(lián)的存在，或者說多值問題是不能通過拆解成二值來實現(xiàn)的。這觸及了一個至關(guān)重要的問題—必須以多值關(guān)聯(lián)的量子糾纏為基礎(chǔ)構(gòu)建萬物的理論。
還有一些學(xué)者提出“時空結(jié)構(gòu)起源于量子糾纏”。一方面，物理學(xué)家使用糾纏熵來表示量子糾纏的大小，很多量子體系的糾纏熵正比于其邊界的大小。另一方面，引力也有類似的性質(zhì)，例如黑洞的熵與包圍該區(qū)域的表面積成正比。有意思的是，糾纏熵所遵循的這一面積定律與黑洞的熵有著深刻的聯(lián)系。這啟發(fā)人們將理解時空本質(zhì)的希望寄托到它與量子信息的聯(lián)系上。
這些學(xué)者進(jìn)一步猜想，存在連接兩個不同時空區(qū)域的通道，即蟲洞。量子糾纏創(chuàng)造了蟲洞，而蟲洞連接著兩個相距遙遠(yuǎn)的處于糾纏態(tài)的粒子。于是，時空結(jié)構(gòu)起源于量子糾纏, 而量子糾纏的變化進(jìn)而改變了時空結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生出引力。從量子信息的視角審視真空，有可能加深關(guān)于時空和宇宙本源的理解。
而包括文小剛在內(nèi)的一些物理學(xué)家則提出“真空是量子比特?！?。如果把這些量子比特類比于一個個水分子，那么量子比特的長程糾纏就像是水分子組成一條條弦。這些弦填充在整個空間中，稱為弦網(wǎng)液體。這種量子以太可以涌現(xiàn)出各種基本粒子和各種基本相互作用，成為萬物的起源！
由此可見，以太的概念又一次出現(xiàn)在物理學(xué)中，與空間、物質(zhì)、能量等最基本的問題緊密聯(lián)系在一起。盡管經(jīng)典以太的概念被摒棄，但量子以太與量子真空的概念卻在現(xiàn)代物理學(xué)中占有極其重要甚至是根本性的地位。從量子信息視角對于真空本質(zhì)的進(jìn)一步研究，或?qū)槲锢韺W(xué)帶來革新性的發(fā)展。也許，“無中生有”是對它最好的詮釋。
作者簡介
郭光燦，物理學(xué)家，中國量子光學(xué)與量子信息的開創(chuàng)者和奠基人。中國科學(xué)院院士，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院量子信息重點(diǎn)實驗室主任。曾任中國光學(xué)學(xué)會理事長和中國密碼學(xué)會量子密碼專業(yè)委員會主任。
涂濤，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院量子信息重點(diǎn)實驗室副教授，從事固態(tài)量子信息的理論研究，承擔(dān)“量子調(diào)控”國家重點(diǎn)研究計劃項目子課題，在國際主要學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文60余篇。
