万物缘于虚无──谈空间的量子涨落
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【摘要】一些大胆的新物理学家从真空中的涨落（fluctuations）现象出发，进一步可能推导出统一场论的结果，并且解释为什么量子力学会行得通以及宇宙的起源。
量子力学难以解答的基本问题
古典物理学家告诉我们，如果把原子比做太阳系的缩影，原子核比做太阳，电子像行星一样绕着轨道运行，那么原子便不会存在。因为运转中的电子，会像一个微小的无线电天线一样，不断放出能量，因为能量愈低，则轨道半径愈小，因而最后撞上原子核而使原子结构消失。为了解决这个问题，物理学家引进一套数学法则，叫做「量子力学」，来描述究竟是怎么一回事。量子理论赋予物质和能量同时兼具波动和粒子的双重特性，并限制电子只能运行于特定的轨道或能阶上。因此，除非电子从一个轨道迁移至另一个轨道，否则不会释出能量。
原子光谱之测量证明量子力学的理论是正确的。原子显然只放射或吸收特定波长的光子，而此波长正好与量子力学所预测的相吻合。大部分物理学家都满意于量子力学对于推算实验数据的精确。然而如果我们重复同样的问题：「为什么运行中的电子不会辐射能量」，则答案是：「呃……，反正按照量子力学，它就是不会辐射。」就凭这一点，别说是门外汉，甚至有些物理学者，都觉得一定有什么地方不对劲。事实上大部分的近代物理学都建构在一些结果正确、但是对基本问题的解答付之阙如的理论上。这些基本问题诸如：重力是什么？为什么宇宙是现在的样子？或者它是怎样开始的？令人惊讶的是这些看似难以回答的问题，也许就快有答案了。或许会更令人惊奇的是，这些答案似乎将来自于空荡荡的「空间」、真空、虚无。
量子力学与零点能量
事实上，根据量子理论，所谓的真空或是介于物质、星辰间的空间，并非空无一物，而是充塞着巨大而不断涨落的能量.要了解此一不寻常的概念，必须先说明什么是量子理论中的「涨落」。「涨落」是量子理论的基本概念。海森堡在1927年提出测不准原理，它说要确切知道一个系统的每一件事是不可能的，因为整个大自然似乎都处于一种固有的涨落之中。事实上，量子力学是一套统计观的理论。举例说，我们无法同时确切知道一个电子的位置和动量。如果我们精确知道其动量或能量，则只能机率式地描述其位置。
此种模糊、机率式的描述方式，使得电子轨道的形状和大小在一个范围内变动着。它同时也暗示系统能量也是模糊的，也就是说，由于涨落现象，系统有可能穿越其能障。因为在量子理论中，穿越能障的机率虽小，却总是存在。
量子力学这种固有的模糊特性，可以说明一些古典物理无法说明的现象。举例说，古典力学认为，任何一个振荡器，如钟摆启动后，终会因空气摩擦力而归于静止；而量子力学则认为不会达到完全静止，而是带着一部分残余能量，在该位置四周，持续作不规则的游移。这分残余能量就叫做「零点」能量。
命名为零点能量的理由是，因为此种扰动在绝对温度零度时仍将存在。虽然我们不可能观察到钟摆的零点能量，因为它太微小，但是它确实存在。在许多物理系统中，它导致非常重要的结果。例如无论技术多完美，都无法全数消除微波接收机中的噪声。
零点能量的产生，是由于真空能量不可预期的随机扰动所造成，正如测不准原理所预期的一样，但是在古典物理中，这项能量为零。事实上，真空能量的涨落可以巨大到无中生有的产生粒子，而又在尚未违反测不准原理前及时消失。暂时形成的虚拟粒子，正如湍急瀑布旁溅起之飞沫一般。
在所有的零点涨落现象中，电磁能应属最容易侦测的。电磁波有驻波和行波两种模式，不同的波又各自有其节点和波峰。因此，虽然每一个模式的零点能量很小（等于半个光子），但因为有无穷多的传播模式，亦即指频率和传播方向有无穷多，因此，所有可能模式合计起来的总能量就相当巨大了。令人难以置信的，其能量密度可能比原子核的还高，而这正是环绕我们四周、人们以为空无一物的空间。
零点能量的证据
既然电磁波零点能量如此巨大，照理应该很容易观测它的效应，其实不然，因为它密度分布相当均匀。但是在某种特殊情况下，当此均匀分布受到些许扰动，便可侦测到此一效应。在1940年代末期，蓝姆（W. Lamb）用二次大战时所发展出来的雷达技术，发现电磁零点能量扰动造成原子光谱的些许偏移，其偏移量约1000MHz，此即谓蓝姆偏移（Lamb shift）。
另一个是卡什米尔效应（Casimir effect），它预测两片靠近的金属片会互相吸引。考虑两片分开特定距离的金属片，能存在其间的波，其半波长之整数倍应与此距离相等，而在两板之外，几乎所有波都会存在。外侧波所带的能量及动量远大于内侧，此种不平衡造成金属板互相靠近（见附图）。
再回到基本问题，为什么电子在最低能阶轨道运行时不会辐射能量？上述现象跟这个问题有何关系？我曾试着拿零点能量理论来加以解释。我发现我们可以想象电子仍按古典物理所预期的不断释出能量，但同时也不断自环境「零点能量海」中吸取相等的能量做为补偿，两者形成动态平衡。
重力是长距离的卡什米尔力
零点涨落理论也让我们对重力有更深一层的看法。爱因斯坦广义相对论中，对重力有详细的描述，但我们对其基本性质仍很不清楚。广义相对论充其量只是描述，并没有揭示其深一层的动态意义。于是，想把重力和其它力（电磁力、强核力、弱核力）统一起来的企图，和重力场量子化的努力都一再遭遇困难，而追根究底都是因为对最基本的层次缺乏了解。为排除此一困难，理论学家们便诉诸于越来越复杂、越抽象的数学，如最近所发展出来的超重力理论和超弦理论等。
已故的苏俄物理学家沙哈洛夫（A. Sakharov）则持完全不同的看法，他认为重力或许根本不是一种基本作用力，而是一种次级力或仅是与其它非重力场相关的一种残余效应而已。重力可能是零点能量受物质存在影响而改变所形成的。如果此一观念正确，则重力可以是一种卡什米尔力。虽然沙哈洛夫没有作更深一层的推导，但他也列出了一些重要的条件，比如导出用零点能量理论参数表示的重力常数G。
我曾经仔细研究沙哈洛夫的重力理论并得到一些正面的结果。一个质点沈浸在充塞宇宙的零点能量海中，会造成一种微弱而不规则的颤动。当有两个以上的质点存在时，它们不但受涨落的背景零点能量场的影响，同时也受其它质点产生力场的影响。这些相互作用的总和便形成重力。按此重力可称得上是一种长距离的卡什米尔力。
由于卡什米尔力的本质为电磁作用，故此一形式的重力理论便自动成为统一场论的一员。此一新理论最大的优点在于：它能帮助我们了解重力基本作用的方式及特质，包括重力为什么如此微弱；为什么只有正物质而没有反物质的存在；又因为零点能量无所不在，以致重力场无法遮蔽等等。而这一切正是已往的理论所无法解释的。
零点能量的起源
至此，我们已说明了原子基态轨道电子不辐射及重力场的问题。接下来的问题是，零点能量最初是从那里来的？这有两派说法，其一认为零点能量不过是宇宙存在的部分边界条件，比如说是宇宙初生大霹雳后残留至今的背景辐射。另一派则认为，零点能量是由宇宙间所有带电粒子的量子涨落，放出能量所形成的。
最近，我针对后者的可能性作一计算，我假设零点能量使宇宙间的质点产生振动，而所有宇宙间质点振动释出能量的总和，回过头来又形成零点能量。两者可形成自给自足的循环。
古典物理与量子物理的争议
虽然零点能量理论是量子力学成熟期的产物，然而，纽约市立大学的博伊尔（T. Boyer）却持有相反的看法。在1960年代末期，他开始提出一个问题：假如我们完全保留古典物理学，再加上一个随机的零点能量涨落背景，而此背景条件可以假设最初由大霹雳产生，随后以前述自我满足式的循环生生不息的持续着，则我们可否由此全古典式的模式中导出量子理论来？
博伊尔从量子力学早期的几个问题开始着手，诸如黑体辐射曲线、光电效应等。结果，他那全古典式的方法，竟然将一些著名的量子力学的结果一一再现。这套方法便称作「随机电动力学」（stochastic electrodynamics, SED），有别于量子电动力学（quantum electrodynamics, QED）。事实上，美国洛色拉莫国家实验室的米洛尼（P. Milonni），在读过博伊尔的理论后说道，如果1900年代的物理学家走的是这条路的话，会比遵循蒲朗克的量子假说来得舒服些。
到目前为止，用SED可以导出与QED相同结果的问题还包括：简谐振元问题，卡什米尔与凡得瓦力、真空中加速运动的热效应等。当然，SED仍有它待克服的难题，比如量子力学中著名的薛丁格方程式，目前仍无法由SED理论获得。然而，很多研究者满怀信心认为，此一问题终将克服。届时，虽然量子力学是否该被SED所取代，仍将是个争论不休的问题。但不管最后结果如何，SED因为引进零点涨落背景条件而获致目前辉煌的成果，代表当初量子力学写完最后一章的同时，已经确定终将赋予真空中的涨落终无比荣耀的地位。
宇宙起源与零点涨落理论的应用
现在剩下最大的一个问题是，到底宇宙是从那来的？或者，以现代的术语来说，大霹雳是怎么引起的？真空中的量子涨落与此有什么关系吗？纽约市立大学的泰伦（E. Tyron）在1973年主张，宇宙之诞生最初可能是由真空中一个大规模的扰动所引起。这个概念后来由塔甫兹（Tufts）大学的维岚京（A. Vilenkin）所引用，在其所著《膨胀中的宇宙》一书中有进一步的阐释。他说，宇宙可能是经由量子穿隧效应，自表相为空无一物的虚无中，幻化出一切，即我们所称的宇宙。这样的说法反映出，物理学家至此已一再将问题的解答，求诸于虚无与涨落。
对于零点涨落理论的心仪者而言，心里或许还存在一未解的疑问，那就是如此伟大的理论究竟对现实世界，有无实用的价值？是否有可能自真空中抽取电磁能量？针对此一问题的可能性，加州休斯研究实验室的佛维德（R. Forward）曾经有过详细的探讨。
此外，在未来的工程界中，是否有可能会分化出一类如李政道所称的「真空工程学」工程师？人类面临的能源危机是否可能经由对于零点能量海的驾驭而得以解决？毕竟零点能量存在的基本形式是，伴随着高度随机性且趋向于互相抵消。因此，如果我们能够找到一个办法可以将零点涨落的浑沌性整合成一致性，则基于零点涨落高能量内涵的特质，我们必定能自其中获致巨大的效益。
由于目前对于零点涨落所知仍然相当有限，我们不得不回归至苏俄自然科学史学者波朵尼（R. Poldolny）的名言：「草率否定一项可能实现的应用，其结果将与贸然保证其成功一样的不负责任。」究竟人类是否能利用这把上帝的火炬──空间中的量子涨落，只有等待时间来解答了。
真空零点能
量子理论预示，真空中蕴藏着巨大的本底能量， 它在绝对零度条件下仍然存在， 称为真空零点能（Zero point energy）。对卡西米尔（Casimir）力（一种由于真空零点电磁涨落产生的作用力）的精确测量，证实了这一物理现象。
现代科学认为真空并不意味着一无所有，真空是由正电子和负电子旋转波包组成的系统，这种过程的动态能量可以作为工业能源、未来星际航行能源以及家庭生活等诸多领域的能源。量子真空是一个非常活跃的空间，它充满时隐时现的粒子和在零点线值上涨落的能量场。而与这种现象伴生的能量，被称为零点能，也就是说，即使在绝对零度，这种真空活性仍然保持着。早在1891年，科学家忒斯拉（Nikola Tesla）在一次演讲中就提到：几个世纪之后，也许我们可以从宇宙中的任意一点提取能量来驱动我们的机械。用今天的科学语言解释，这种能源就是真空零点能，或称空间能、自由能等。
关于零点能的设想来自量子力学的一个著名概念:海森堡测不准原理。该原理指出：不可能同时以较高的精确度得知一个粒子的位置和动量。因此，当温度降到绝对零度时粒子必定仍然在振动；否则，如果粒子完全停下来，那它的动量和位置就可以同时精确的测知，而这是违反测不准原理的。这种粒子在绝对零度时的振动（零点振动）所具有的能量就是零点能。狄拉克从量子场论对真空态进行了生动的描述，把真空比喻为起伏不定的能量之海。J. Wheeler估算出真空的能量密度可高达1095 g/cm^3。
1948年，荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔提出了一项检测这种能量存在的方案。从理论上看，真空能量以粒子的形态出现，并不断以微小的规模形成和消失。在正常情况下。真空中充满着几乎各种波长的粒子，但卡西米尔认为，如果使两个不带电的金属薄盘紧紧靠在一起，较长的波长就会被排除出去。接着，金属盘外的其它波就会产生一种往往使它们相互聚拢的力，金属盘越靠近，两者之间的吸引力就越强。1996 年，物理学家首次对这种所谓的卡西米尔效应进行了测定。华盛顿大学Lamoreaux在他的学生Dev Sen协助下，对卡西米尔效应进行了精确的测量，该测量结果与卡西米尔对这一特殊板间距及几何构形所预测的力相差不超过5%。Lamoreaux在他的实验中，采用镀金石英表面作为他的金属板。另外一块板固定在一个灵敏扭摆的端部。如果该板向着另外一块板移动，则摆就会发生扭转。一台激光器可以以0.01微米的精度测量扭摆的扭转。向一组压电组件施加的一股电流使卡西米尔板移动；而另一电子反馈系统则抵消这一移动，使扭摆保持静止。零点能效应就表现为保持摆的位置所需的电流量的变化。Mohideen等人在加州理工学院作的实验中，在0.1到0.9μm的范围内，用原子力显微镜对卡西米尔力进行的测量结果，与理论值相差不到1%。
如果零点能可以提取，无疑将是人类所能够利用的最佳能源了。它是洁净，廉价的能源，是大自然给予人类的“免费的午餐”。宇宙中所有的物质都来源于零点电磁涨落能，我们身上的每一个物质粒子不停地与真空零点能发生能量交换，也就是，没有任何一个物理体系称得上是孤立体系的。根据物理真空的性质，我们可以从空间任何一点提取零点能，并转换成我们所需要的能量形式。原子中电子绕核转；太阳系中，行星绕太阳转，几十亿年永不停息；超导和超流现象，这些都是大自然给我们的关于能源的启示。
卡西米尔效应
简单地说，卡西米尔效应(Casimir effect)就是在真空中两片平行的平坦金属板之间的吸引压力。这种压力是由平板之间空间中的虚粒子(virtual particle)的数目比正常数目减小造成的。
大多数人认为，真空是空荡荡的。但是，根据量子电动力学（一门在非常小的规模上描述宇宙行为的理论），没有比这种观点更加荒谬的了。实际上，真空中到处充满着称作“零点能”的电磁能，这正是麦克莱希望加以利用的能量。“零点能”中的“零”指的是，如果把宇宙温度降至绝对零度（宇宙可能的最低能态），部分能量就可能保留下来。实际上，这种能量是相当多的。物理学家对究竟有多少能量仍存在分歧，但麦克莱已经计算出，大小相当于一个质子的真空区所含的能量可能与整个宇宙中所有物质所含的能量一样多。
1948年，荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔(Hendrik Casimir, 1909-2000)提出了一项检测这种能量存在的方案。从理论上看，真空能量以粒子的形态出现，并不断以微小的规模形成和消失。在正常情况下。真空中充满着几乎各种波长的粒子，但卡西米尔认为，如果使两个不带电的金属薄盘紧紧靠在一起，较长的波长就会被排除出去。接着，金属盘外的其它波就会产生一种往往使它们相互聚拢的力，金属盘越靠近，两者之间的吸引力就越强，这种现象就是所谓的卡西米尔效应。1996 年，物理学家首次对它进行了测定，实际测量结果与理论计算结果十分温和。
1997年,新一代测量工作开始了。当时在美国西雅图华盛顿大学工作的史蒂夫·拉穆尔克斯,测量了镀有铜和金的直径为4厘米的球形透镜与大约215厘米见方的光学石英平板之间的卡西米尔力。透镜和平板被联接在一个扭摆(一根悬挂在钨丝上的水平扭杆)之上,扭摆安置在一个处于真空状态下的圆筒形容器内。拉穆尔克斯让透镜与平板相互靠近,当它们的间距在几微米以内时,卡西米尔力把两个物体拉到一起,进而使扭摆扭转。他发现他的实验测量结果与理论相比精度为5%。在拉穆尔克斯的实验突破的鼓舞下,许多其它科研人员对卡西米尔效应相继开展了新的实验测量工作。例如,美国加利福尼亚大学河滨分校的乌玛·莫海登(UmarMohideen)及其同事利用卡西米尔力把一个直径为200微米的聚苯乙烯球吸附到了原子力显微镜的探针上。在一系列实验中,他们把镀有铝和金的球体挪到距一个也镀有铝和金的平面圆盘011微米之内的地方,在此过程中球和圆盘之间所产生的吸引力通过激光束的偏斜得到监控。上述研究人员对卡西米尔力的测量结果与理论期待值的偏差在1%以内。
斯德哥尔摩瑞典皇家工学院的托玛斯·埃德斯(ThomasEderth)也利用原子力显微镜研究了卡西米尔效应。他测量了两个相互成90°放置、相距20纳米的镀金圆柱之间的卡西米尔力,其实验结果与理论相比,相差不到1%。
然而,在最近的实验中很少有人采用原始组态———两个平行平面镜来测量卡西米尔力,原因是这种组态要求实验中两个平面镜必须保持绝对平行,而这是很困难的。让一个球靠近一个镜面是很容易的,因为这两个物体之间的距离只不过是两个物体之间最近的点之间的距离。利用球和平面镜测量卡西米尔效应的唯一缺点是,此时两物体之间的卡西米尔力的计算不如两个平面镜之间的卡西米尔力计算得精确。尤其是不得不假设每一个点对卡西米尔力的贡献是相互独立的,而这只有当球的半径远大于球和平板之间的距离时才成立。
最近仅有的利用卡西米尔的原始平面镜装置的实验是由意大利帕多瓦大学的吉安尼·卡鲁哥、罗伯托·奥诺弗里奥(RobertoOnofrio)及其合作者们开展的。他们测量了间距为015～3微米的镀铬硬板与一个由同样材料制成的悬梁表面之间的卡西米尔力。研究者发现,测得的卡西米尔力与理论期待值的相对偏差在15%以内,实验与理论相差较大表明实验中存在着技术难点,改进的计算结果卡西米尔效应研究中的难点在于实际的平面镜与卡西米尔最初考虑的理想的光滑的平面镜不同,它们可以很好地甚至是接近理想地反射某些频率的电磁波,但对其它频率的电磁波反射得较差。此外,在很高的频率下,所有镜子都将变成透明体。在计算卡西米尔力时,必须要考虑镜面的反射系数与频率的函数关系,20世纪50年代中期伊津尼·利夫谢茨(Evgeny Lifshitz)最先着手研究了这一问题,后来朱利安·施温格(JulianSchwinger)及其它许多科研人员也对这一问题进行了研究。
虽然人们目前对卡西米尔力与温度的关系尚未开展详细的研究,但在计算两个间距大于1微米的物体之间的卡西米尔力时必须要考虑温度的影响。包括伊津尼·利夫谢茨和朱利安·施温格在内的许多科学家早在20世纪50年代就针对理想反射镜的情况探讨了这一问题。最近,莫海登及其研究组利用畸变表面证明两个表面之间可以产生平行于而不是垂直于镜面的横向卡西米尔力。在实验中,他们特制了两块表面为正弦波形状的波纹镜面,然后让一块镜面相对另一块镜面平行移动,以使该镜面的波峰依次经过另一个镜面的波峰和波谷。研究者发现,两个镜面间的横向卡西米尔力随着两个镜面波纹的相位差而按正弦规律变化。上述横向卡西米尔力的大小大约是相同间距的两个平面镜之间的普通卡西米尔力的十分之一。横向卡西米尔力同样起源于真空涨落。
美国麻省理工学院的梅伦·卡达(MehranKadar)及其同事给出了两个全反射波纹镜面之间的卡西米尔力的一个理论计算结果。同时,莫海登及其合作者们估算了两个金属镜面之间的横向卡西米尔力,并且发现估算结果与实验数据符合得很好。横向卡西米尔力可以对微型机械产生另一种重要影响.
新物理学?
卡西米尔力还可以在纳米和微米尺度之间的精密力学测量中发挥作用。人们通过对行星运动的观测,已经在宏观距离上对牛顿的平方反比引力定律做出了许多次的验证。但是,迄今为止尚无人设法以任何精度在微米尺度上对牛顿引力定律进行验证。在微米尺度上检验牛顿引力定律具有重要意义,因为许多试图统一自然界中四种基本作用力的理论模型都预言存在着以前未被人们发现的将在该尺度上发挥作用的力。实验值与理论值的任何偏差都有可能暗示着新力的存在。但是,即使二者相等,也不能排除所有的力———测量结果将对现有的理论产生新的限制。例如,华盛顿的詹斯·冈拉克(JensGundlach)及其同事已经利用扭摆测定了两个间距由10毫米减小到220微米的受试质量之间的引力。他们的实验结果证实牛顿引力在上述范围内是有效的,但在更短的距离之内,卡西米尔力将处于主导地位。与此同时,美国科罗拉多大学的乔舒亚·朗(JoshuaLong)及其同事,以及普杜大学的伊弗莱姆·菲施巴赫(Ephraim Fischbach)及其合作者,正试图通过仔细选择实验中所用的材料,消除亚毫米距离引力实验中卡西米尔效应的影响。
尽管该领域的研究人员做出了充分的努力,但在卡西米尔效应方面仍然遗留下许多悬而未决的问题。尤其是单一的中空球壳内的卡西米尔力这一看上去似乎天真的问题,仍然是人们热烈争论的焦点,人们甚至还没有弄清楚该力究竟是一种吸引力还是排斥力。卡西米尔早在1953年探寻电子的稳定模型时就考虑了这一问题。半个世纪过去了,卡西米尔力的秘密可能需要我们在将来经过许多年的不断思考,才能最终被完全揭开。
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