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宇宙密码——作为自然语言的量子物理
[美]H.R.佩格斯 1988年10月第1版
(节选)
存在和虚无
亚里斯多德说,”自然是厌恶真空的”。他观察到,当我们想把全部物质从一个空间区域移走时,物质总是倾向于要冲进来并且充满这个空的区域。物质无处不在。现代的概念正好和他的相反——宇宙中物质只是少数的例外。恒星间大部分空间是空的或近乎是空的,甚至固体物质内大部分也是空的,几乎全部质量都集中在极小的原于核内。差不多每一件东西都是真空.
关于真空的旧观念——真空是空无一物的空间,其中不存在任何东西——也已经改变了。在30年代和40年代创立了相对论量子场论以后,物理学家产生了新的真空概念,即真空并不是空无一物的,而是充实的。真空,空的空间,实际上由不断地进行者自发产生与湮灭的粒子和反粒子组成,全部量子,物理学家已发现的和即将发现的,都在善恶决战中产生和消灭,这就是真空。怎么可能是这样呢?空间看上去是空的,这是因为所有量子的产生和消灭都是在极短的时间和极小的距离内发生的。在大范围内真空显得很平静和温和,就象我们乘坐喷气机在高空飞越大洋时,海洋显得非常平静一样。但当我们乘坐一只小船在海面上行驶时,海有时是凶猛的,恶浪翻滚。同样,若我们很近地观察的话,随着量子的产生和消灭真空也有涨落。即使我们在原子水平上观察,虽然这些真空的量子涨落极小,但仍可以观察到。基于对原于能级的测量,物理学家知道真空涨落确实存在,如果他们能够在更小的距离内观察,那真空就会显出象一个波涛翻滚的各种量子的海。新的物理观点不认为“自然厌恶真空”‘而是主张“真空就是全部物理”。一切已存在的和可能存在的都已潜伏在“空无一物”的空间中了。物理学家在深刻地理解了海森堡测不准原理和存在反粒子的意义后才产生出这非凡的关于真空的观念。下面看看它的道理如何。
现代物理的一条严格的定律就是能量守恒定律。我们想象由一个能量会计员来核算这定律,会计员随时记录下在物理作用中的总能量。在他的分类帐中记录能量的消费和收入,这两项必须完全平衡。这就是能量守恒定律。
如果现在将这定律应用到量子相互作用的世界,那就要运用海森堡测不准关系。测不准关系意味着,假使我们在一个短的但确定的时间间隔内测量象电子那样的一个量子的能量,那么能量测量的不确定度和测量时间间隔成反比。这就是说,对于很短的时间间隔,量子能量测量的不确定度就会很大。这意味着在短时间内,能量会计员在能量收入和支出项上必定会出差错。显然在长时间范围内误差的平均是零。能量守恒定律断言量子是不能“无中生有”的,但测不准关系意味着这论证 有一个漏洞。量子能够在短时间内“无中生有”。能量计算中的误差就象真空海上的波浪。在某些地方浪较高,而在另一些地方较低,但如果我们从高处看,看到的是它们的平均,一个平静的海。能量会计员造成的随机误差正是实在的统计性和玩骰子上帝的另一个表现。真空随机地在有与无之间涨落。
因为能量在短时间内是不确定的,原则上量子能存在于空荡的空间内然后很快地消失。这种产生后又马上消失的量子称作虚量子。当只有足够的能量时,虚量子能成为一个真量子,一个真实粒子.这些虚量子就象能量会计员弄出的差错一样它们有一个虚的实在,但最终它们必定要消失。如果我们能从外在源向真空提供需要的能量,那么真空中的虚粒子就能变为真实的。就象告诉能量会计员他有一笔信用帐目,因此一项收入误差不—定必须用一项支出误差来抵梢。在实验室中确实真正观察到由虚量子产生实粒子的过程。真空中的虚量子应该考虑为是由虚粒子和它的反粒子组成的粒子对。在空间一点粒子及其反粒子虚存在且很快相互涅灭,这就是真空涨落。粒子对的质量越低,它们由真空产生的几率越大因为实现这点所要求的能量差额小。结果在真空海上最大的波浪就是电子—正电子对,因为它们是质量最小的粒子。较重的粒子对相应子较小的浪。每一种可想象到的量子,甚至那些尚未发现的量子在真空海上都有其相应的浪。全部物理——我们希望要知道的一切——正在真空由等待着我们去发现。
另一种使真空形象化的方法是象我们前面所讲过的那样将量子场和三维床垫类比。充满整个空间的床垫弹簧是无限小的,每个弹簧的振动相应于一个量子粒子。我们将真空想象成一个没有弹簧振动的弹簧格点阵——不存在实粒子。然而由于海森堡测不准原理,我们永远也不能严格地肯定一个弹簧没有振动。因此弹簧在相应于实粒子的水平下是允许振动的。这些振动相应于虚量子——海洋上的浪。如果我们向这些振动提供能量,那振动会增加到变成实粒子的水平。真空中充满着每一种可能的量子的振动。
这一非凡的“无”的概念是相对论量子场论的新理论思想出成果。关于真空的新思想在理论上是可以理解的,但需要对这极妙的思想进行实验验证。物理学家如何来测定这些真空中虚量子的影响呢?
在原子核和轨道电子之间的大部分空间可以认为是空的,而这也正是物理学家发现新的真空效应的所在。虚量子产生和湮灭的一个效果就是绕原子核运动的轨道电子的能量有小的移动。这是因为把电子束缚在原子核周围轨道上的电场有时会从真空中翻滚的虚量子海里产生出一对电子—正电子。电子对又很快地湮灭。这称为真空极化的效应将使电自绕原子核的轨道略有变化。实验家威列斯·兰姆(Willis Lam b)以极高的精确度测定了氢原子的一条电子轨道的变化。他使用的是在二次大战中随雷达技术而发展起来的精密微波技术。很有意思的是,兰姆测量的结果可以和用量子场论即量子电动力学的理论计算值相比较。如果不考虑真空极化的效应,那计算值和兰姆实验不一致。事实上兰姆的测量结果和考虑真空极化效应的计算值精确地符合。真空中虚光子的幻影有了一个真实的效应。
虽然有许多实验证实了理论家们预言的真空极化效应而证实真空新概念的最有力的证据来自电子·正电子对撞机上的工作。在70年代这种对撞机首次运行,一束高能电子(物质)和一束反向运行的正电子(反物质)碰撞。物质和反物质的碰撞提供了真空涨落的虚粒子对变为真实存在所需要的能量。
对撞机通过向真空供给能量的方法,来实际侦察真空的结构。用这方法从真空中将夸克—反夸克对变为真实粒子。这是发现新夸克,例如糜夸克的一种方法。糜夸克和反糜夸克对只是真空海上一个小小的波浪,一旦物理学家提供了足够的能量,它就能以一种新强子的形式出现于真实存在中,物理学家期望用这技术将真空中的虚量子转变为实粒子,而发现更多的新形式的物质。用碰撞束向真空提供能量来创造物质,这将是80年代实验物理学家的主要工作。
一旦我们的思想接受了物质的可变性和关于真空的新概念就可能对宇宙的起源作出推测。可能宇宙本身就是从“无”——巨大的真空涨落即今天我们称为的大爆炸——中变为真实的存在。显然,这种可能性是近代物理定律允许的。亚里斯多德认为宇宙是永恒的。但他的追随者汤玛斯·阿奎纳斯(Thomas Aquinas)和他的观点不同,认为世界是从空无一物中产生出来的。整个宇宙可能是“无”——真空的一种表现。本世纪物理发展的进程是具有讽刺意味的。十九世纪和二十世纪初期的特征是唯物主义者的观点,根据这观点世界真实有的和没有的之间有着鲜明的区别。今天看来区别仍然存在但它的含意已改变了。所谓的不存在,虚无或真空,只是“谜的永恒制造者”做出的一个恶作剧。理论和实验物理学家现在正在研究虚无——真空。但是虚无却包含着所有的存在。
本贴于2005-11-22 14:07:03在乐趣园 哲学宗教青青莲华佛学论坛发表
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