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真空的品质

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西方文明的发源地希腊最近的形势有些不大妙,国家经济面临崩溃的危险。法国著名导演让-吕克·戈达尔(Jean-Luc Godard)在2011年7月接受英国《卫报》采访时号召大家一起帮助希腊走出经济危机。他说,是希腊人给了我们逻辑学,这是我们欠他们的;是亚里士多德发明了“因此”这个词,他甚至号召大家为此支付版权费用以帮助希腊走出危机。生活在2000多年前的希腊哲学家们是逻辑学与西方哲学的始祖,许多人至今仍然在研究他们的理论。希腊先贤们也试图通过其他方式来理解世界,他们以自己的直觉来描述这个世界。令人惊奇的是,他们有些看似原始的观点,直到现在仍然对我们有启发性,比如对于“真空”的讨论。
  宇宙空间里都有些什么东西,对于这个问题人们的意见自古以来就分成了两派。古希腊哲学家德谟克利特(Democritus)和留基伯(Leucippus)是原子论的开创者,他们认为物质是由极小的、不可再分的“原子”构成的(这种原始的原子概念与现代的原子概念有很大不同),事物的本源就是原子与真空,而真空就是原子运动的场所。与这种观念相对的则是亚里士多德与巴门尼德(Parmenides)为代表的另一派,他们认为宇宙间充满了人看不到的介质,这种介质是一切物质存在和运动的基础。这种想象中的介质被称为“以太”,亚里士多德为此也留下一句名言:“大自然厌恶真空。”
  这两种2000多年前对于宇宙空间构成的直觉性的描述,各自既不能拿出令人信服的证据,同时也无法驳倒对方。这场哲学辩论的两派各有支持者,辩论也一直在延续,甚至极大地影响到了后来物理学的发展。德国哲学家和数学家戈特弗里德·莱布尼兹(Gottfried Leibniz)支持原子学说,他认为物质是通过彼此的引力聚合在一起的,而引力的传输不需要任何介质,可以通过真空作用。牛顿则站在亚里士多德这一边,他相信在宇宙空间中的以太无所不在,光只有在以太中才可以传输,绝对真空是不存在的。在牛顿力学中,宇宙空间是一种“绝对空间”,存在着度量,就像是一个大盒子里面装着东西,而充斥其中的以太就是空间里最好的标尺。
  电力和磁力是如何隔空作用的?这个问题给人们对于真空的讨论注入了新内容。在19世纪,科学家们第一次认识到了“场”(Field),电荷和磁力的隔空作用都是通过电场和磁场来传播的,以太也就自然地被认为是“场”的存在和传播的最好介质。那么,“场”究竟是什么?直到19世纪末,麦克斯韦创立了完整的电磁学理论,人们才终于意识到了磁和电的统一,同时也理解了“场”本身就是一种特殊的存在形式。“场”本身可以具有能量,但是并没有更基础的存在形式,电磁学理论也使“场”可能独立于传播介质而存在。
  牛顿力学的全面胜利使人们接受了以太,相信真正的真空是不存在的。人们相信在宇宙中无所不在的以太不仅是光线传输的介质,同时也是物质在宇宙的绝对空间中的尺度,因此寻找以太也成了几个世纪中物理学发展的主线。正如在平静的空气中快跑会感受到风一样,地球在宇宙中高速运动,那么,人们应该无时无刻不感受到迎面吹来的“以太风”,由此“顺风”传播和“逆风”传播的光的速度自然也就不一样,这正是一个证明以太存在的好机会。1887年,美国科学家阿尔伯特·迈克尔逊(Albert Michelson)和爱德华·莫雷(Edward Morley)进行了一个实验,这个实验后来以他们两人的名字命名为迈克尔逊-莫雷实验,这是物理学史上最著名的寻找以太的经历。他们本来满怀信心想通过一个高精度实验来计算地球相对于以太的运行速度,却得出了他们自己都难以相信的结果:以太并不存在,光在任何方向上的传播速度都是相等的。这个实验结果启发了当时的爱因斯坦,在20世纪初创立了相对论。相对论是一套不同于牛顿力学、不需要“绝对空间”概念的力学体系。根据相对论的描述,运动都是相对的,并不存在针对空间或是空间中的介质做的绝对运动。紧接着,无数实验验证了相对论的正确性,以太并不存在,宇宙中也不需要一把标尺——真空就这样又回到了宇宙中。
  量子力学最奇特的发现之一,就是真空并不意味着什么都没有,真空中也存在能量。在一个没有任何物质,并且也隔绝了各种场的密闭的空间里,同样具有令人迷惑的、奇特的性质。根据不确定性原理,不存在平静且空虚的一无所有,空间里到处都发生着量子涨落。由于量子涨落的缘故,电子和反电子、光子等粒子不停地在真空中“无中生有”地产生出来,同时又不停地相互发生湮灭。在极短的时间内,量子涨落现象使质能凭空产生,又迅速归于虚无。这些从虚无中产生的粒子被称为“虚拟粒子”,这些粒子从产生到湮灭只存在极短的时间。虚拟粒子与人们想象中的以太不同,它们迅速地存在和消失,并不是任何物质传播的媒介,同时也不是宇宙空间的尺度。但是它们在真空中的能量总和却并不为零,这种能量被称为“真空能”,目前科学家们认为真空能的大小不随时间变化。问题在于,理论计算中的真空能大得惊人甚至达到无穷,而我们观测到的真空能却如此之小,以至于几乎可以被忽略不计。这种从虚无中产生出来的能量让科学家们着迷。早就有人设想,是不是可以收集真空能来为人们工作,制造出永动机,甚至是制造出真空能发动机为宇宙飞船提供能量?不少国家曾经为此进行过研究,尽管在理论上可行,但是至少在目前,利用真空能来工作还只能是幻想而已。
  1948年,在量子物理学大师尼尔斯·波尔的启发下,荷兰科学家亨德里克·卡西米尔(Hendrik Casimir)通过理论计算,预测了一个惊人的效应:两个相互靠近的不带电的导体之间存在着极小的吸引力。这就是著名的“卡西米尔效应”。验证卡西米尔效应是否真的存在也就成了验证真空能是否存在的最佳途径。1958年,荷兰科学家马库斯·斯帕奈(Marcus Sparnaay)终于在荷兰埃因霍温的飞利浦实验室中证实了卡西米尔效应的存在;1997年,美国科学家精确测量了卡西米尔效应,真空中确实有能量存在,真空也具有结构。在1970年,杰拉德·穆尔(Gerald Moore)预言, 根据卡西米尔效应,加速运动的物体会在量子涨落中产生出真正的光子来,这也就是动态卡西米尔效应,物体移动而消耗的能量等于发射出的光子的能量——虽然光子被凭空制造了出来,但是质能守恒定律仍然成立。2011年6月,《自然》杂志报道了一组瑞典科学家第一次通过实验实现了动态卡西米尔效应,通过量子效应在真空中诱发出光子,这项成就也被评论为近年来验证量子力学的最不寻常的一个实验,真空的本质也让人感到更加好奇。
  量子涨落并不只可能在微观现象中起作用,史蒂芬·霍金教授在1974年做出的著名预测“霍金辐射”预言,量子涨落中产生的虚拟粒子对同样可以改变黑洞的结构。在黑洞附近产生的虚拟粒子对,由于受到黑洞巨大的引力,在相互湮灭前,其中具有负能量的粒子被吸入了黑洞,与黑洞中的物质发生湮灭,而实粒子则由于斥力而被黑洞“辐射”了出来,这就相当于黑洞辐射出了一个实粒子,它的质能因此减小。根据这样的理论预测,经过很长的时间,超大黑洞总有一天也会因为霍金辐射而消失,只是这个预测至今也无法得到证实。
  宇宙空间中是不是真的存在真空?真空究竟是什么?真空又有怎样的结构?人类对于自然的认识经过2000多年的发展后又回到了问题本身,而问题的实质则已经发生了改变。真空中的能量是否就是爱因斯坦描述的使宇宙加速膨胀的宇宙常数?宇宙的命运如何,很大程度上取决于真空的品质。
  (本文参考了《New Scientist》的相关专题《Nothingness》)

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