存在和虛無(wú)

       亞里斯多德說(shuō)，”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(gè)空間區(qū)域移走時(shí)，物質(zhì)總是傾向于要沖進(jìn)來(lái)并且充滿這個(gè)空的區(qū)域。物質(zhì)無(wú)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(wú)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(duì)論量子場(chǎng)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(wú)一物的，而是充實(shí)的。真空，空的空間，實(shí)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?yàn)樗辛孔拥漠a(chǎn)生和消滅都是在極短的時(shí)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(jī)在高空飛越大洋時(shí)，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(shí)，海有時(shí)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?cè)谠铀缴嫌^察，雖然這些真空的量子漲落極小，但仍可以觀察到。基于對(duì)原于能級(jí)的測(cè)量，物理學(xué)家知道真空漲落確實(shí)存在，如果他們能夠在更小的距離內(nèi)觀察，那真空就會(huì)顯出象一個(gè)波濤翻滾的各種量子的海。新的物理觀點(diǎn)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(wú)一物”的空間中了。物理學(xué)家在深刻地理解了海森堡測(cè)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(gè)能量會(huì)計(jì)員來(lái)核算這定律，會(huì)計(jì)員隨時(shí)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(fèi)和收入，這兩項(xiàng)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(yùn)用海森堡測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系。測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系意味著，假使我們?cè)谝粋€(gè)短的但確定的時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)量象電子那樣的一個(gè)量子的能量，那么能量測(cè)量的不確定度和測(cè)量時(shí)間間隔成反比。這就是說(shuō)，對(duì)于很短的時(shí)間間隔，量子能量測(cè)量的不確定度就會(huì)很大。這意味著在短時(shí)間內(nèi)，能量會(huì)計(jì)員在能量收入和支出項(xiàng)上必定會(huì)出差錯(cuò)。顯然在長(zhǎng)時(shí)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(wú)中生有”的，但測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系意味著這論證 有一個(gè)漏洞。量子能夠在短時(shí)間內(nèi)“無(wú)中生有”。能量計(jì)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(gè)平靜的海。能量會(huì)計(jì)員造成的隨機(jī)誤差正是實(shí)在的統(tǒng)計(jì)性和玩骰子上帝的另一個(gè)表現(xiàn)。真空隨機(jī)地在有與無(wú)之間漲落。

       因?yàn)槟芰吭诙虝r(shí)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(shí)，虛量子能成為一個(gè)真量子，一個(gè)真實(shí)粒子．這些虛量子就象能量會(huì)計(jì)員弄出的差錯(cuò)一樣它們有一個(gè)虛的實(shí)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?shí)的。就象告訴能量會(huì)計(jì)員他有一筆信用帳目，因此一項(xiàng)收入誤差不—定必須用一項(xiàng)支出誤差來(lái)抵梢。在實(shí)驗(yàn)室中確實(shí)真正觀察到由虛量子產(chǎn)生實(shí)粒子的過(guò)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(duì)。在空間一點(diǎn)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(duì)的質(zhì)量越低，它們由真空產(chǎn)生的幾率越大因?yàn)閷?shí)現(xiàn)這點(diǎn)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(duì)，因?yàn)樗鼈兪琴|(zhì)量最小的粒子。較重的粒子對(duì)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(guò)的那樣將量子場(chǎng)和三維床墊類比。充滿整個(gè)空間的床墊彈簧是無(wú)限小的，每個(gè)彈簧的振動(dòng)相應(yīng)于一個(gè)量子粒子。我們將真空想象成一個(gè)沒有彈簧振動(dòng)的彈簧格點(diǎn)陣——不存在實(shí)粒子。然而由于海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理，我們永遠(yuǎn)也不能嚴(yán)格地肯定一個(gè)彈簧沒有振動(dòng)。因此彈簧在相應(yīng)于實(shí)粒子的水平下是允許振動(dòng)的。這些振動(dòng)相應(yīng)于虛量子——海洋上的浪。如果我們向這些振動(dòng)提供能量，那振動(dòng)會(huì)增加到變成實(shí)粒子的水平。真空中充滿著每一種可能的量子的振動(dòng)。

      這一非凡的“無(wú)”的概念是相對(duì)論量子場(chǎng)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(duì)這極妙的思想進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。物理學(xué)家如何來(lái)測(cè)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(gè)效果就是繞原子核運(yùn)動(dòng)的軌道電子的能量有小的移動(dòng)。這是因?yàn)榘央娮邮`在原子核周圍軌道上的電場(chǎng)有時(shí)會(huì)從真空中翻滾的虛量子海里產(chǎn)生出一對(duì)電子—正電子。電子對(duì)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(shí)驗(yàn)家威列斯·蘭姆(Willis Lam b)以極高的精確度測(cè)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(lái)的精密微波技術(shù)。很有意思的是，蘭姆測(cè)量的結(jié)果可以和用量子場(chǎng)論即量子電動(dòng)力學(xué)的理論計(jì)算值相比較。如果不考慮真空極化的效應(yīng)，那計(jì)算值和蘭姆實(shí)驗(yàn)不一致。事實(shí)上蘭姆的測(cè)量結(jié)果和考慮真空極化效應(yīng)的計(jì)算值精確地符合。真空中虛光子的幻影有了一個(gè)真實(shí)的效應(yīng)。

     雖然有許多實(shí)驗(yàn)證實(shí)了理論家們預(yù)言的真空極化效應(yīng)而證實(shí)真空新概念的最有力的證據(jù)來(lái)自電子·正電子對(duì)撞機(jī)上的工作。在70年代這種對(duì)撞機(jī)首次運(yùn)行，一束高能電子(物質(zhì))和一束反向運(yùn)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(duì)變?yōu)檎鎸?shí)存在所需要的能量。

      對(duì)撞機(jī)通過(guò)向真空供給能量的方法，來(lái)實(shí)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(duì)變?yōu)檎鎸?shí)粒子。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(duì)只是真空海上一個(gè)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(qiáng)子的形式出現(xiàn)于真實(shí)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?shí)粒子，而發(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(lái)創(chuàng)造物質(zhì)，這將是80年代實(shí)驗(yàn)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(duì)宇宙的起源作出推測(cè)?？赡苡钪姹旧砭褪菑?#8220;無(wú)”——巨大的真空漲落即今天我們稱為的大爆炸——中變?yōu)檎鎸?shí)的存在。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(diǎn)不同，認(rèn)為世界是從空無(wú)一物中產(chǎn)生出來(lái)的。整個(gè)宇宙可能是“無(wú)”——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(diǎn)，根據(jù)這觀點(diǎn)世界真實(shí)有的和沒有的之間有著鮮明的區(qū)別。今天看來(lái)區(qū)別仍然存在但它的含意已改變了。所謂的不存在，虛無(wú)或真空，只是“謎的永恒制造者”做出的一個(gè)惡作劇。理論和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家現(xiàn)在正在研究虛無(wú)——真空。但是虛無(wú)卻包含著所有的存在。