量子真空的物理渊源

  量子真空的物理渊源
我们还不能确切地知道能提供现象间普遍联系的信息场的物理渊源，但我们可以提出合理的假设进行探索。这里，我们将沿着大卫·玻姆这样的科学家的足迹前进。玻姆研究了类似于量子真空的有关内容，即规定宇宙基态的潜能场。
必须注意的第一件事是，量子真空显示了所谓的零点能——即当其他所有的力都消失，且温度接近绝对零度时所具有的能。因此，真空并不是空的空间，而是一种充满零点能的涨落场，它是 19 世纪传播光的以太概念的后继者。
那时以太概念具有显著的意义：它解释了物体在不进行直接接触时是如何相互作用的。菲涅耳进行了精确的，可用实验检验的“以太曳力”计算，1881 年迈克尔逊开始了一系列的实验来验证他的“曳力系数”。但是 1887 年莫雷作出结论，这一系列的天才实验证明，根本不存在以太曳力这种东西。
本世纪，物理学家用宇宙真空的概念代替了充满以太空间的概念。他们推测，尽管宇宙在最低能量状态中的有关粒子具有能量，但宇宙的基态仍无物质和引力：它近似真空。人们认为，令人烦恼的零点能可以通过对方程的重正化的数学方法来加以消除，这就得到了与观察值基本一致的结果。由于爱因斯坦公式也不需要类以太的(ether-like)普适静止参照系，所以无物质的空间被看作是量子真空。
然而，在计算物理效应时把零点能忽略不计的假定也是无根据的，真空零点场也许并不仅仅是一种可以轻易抛弃的自然界的可有可无的玩物，它可以传输各种物理效应。尽管在爱因斯坦的相对论中以太被相对于观察者的参照系所取代，但爱因斯坦自己仍关注着扩大了的以太概念的内在意义。1924 年他说，“在次级和相干场理论中，基本粒子构成粒子态空间在这种情况下所有物体又再一次被包含在以太概念中”。大约在此前后，他还思忖着可能存在一种引导场，即在给玻尔的信中所用的一句讽刺语——与光子运动相关的一种幽灵场(ghostfield)。
爱因斯坦的直觉被物理学共同体中的先锋派人物的新近工作所证实。一些物理学家现在把真空看作是对时空的一种物理学描述，他们认为量子力学是一种更为基本的真空层次上的“粗颗粒”理论。根据利卡塔的观点，这一层次是“网状时空”，它作为一种超参照系结构起作用，在这种结构中绝对变形由随机度规张量描述，而特殊偏差则来自于洛伦兹不变本底中各向同性和同质性。这样一来，洛伦兹变换就是由物质的时空运动所产生 的实际的物理效应。^①紧接着，T·比尔登(ThomasBearden)又把静电标量势看作是量子真空中的 n 维应力，n 在这里等于或大于四。按比尔登的理论，真空就等于充满能的时空：它负载着宇宙介质。这一介质的虚态决定着所有作为具有矢量和物质形式的能而出现的物理实在。作为物理学前沿独立的思辨理论，宇宙学的当前工作把真空看作是一种有意义的能量场。人们认为它是宇宙中物质的最初源泉：当足够的能量注入到狄拉克方程所预言的负能态粒子中，粒子就从狄拉克海中的虚态转变为时空中的实态。人们还认为，真空是宇宙中合成的物质粒子的最终的壑。然而，量子真空并不仅仅是物质的源和壑，最近的证据显示，它也能对物质粒子的行为产生激活影响。例如，当电子从一能态向另一能态跃迁时，真空的零点能就会与绕核电子相互作用而产生可观察到的物理效应，它们发射的光子出现“兰姆移位”：频率偏离正常值的微小移动。还存在一种卡西米效应(Casimir-effect)，当真空的零点能在空间上紧靠在一起的两块金属板上产生辐射压力时就会出现。在两块金属板之间真空场的某些波长被排斥在外，因此相对于外部的场而言它的能量密度就降低了，这就产生了把金属板向内推使之靠在一起的压力。
物理学中的创造性研究工作更进一步揭示了物质和量子真空之间的相互作用。在 1970 年代中期，P·戴维斯(Paul·Davies)和 W·恩罗(WillianUnruh)证明，穿越真空的匀速运动将显示出各向同性光谱，而加速运动则会产生破坏方向对称性的热辐射。戴维斯—恩罗效应由于太微弱，因而用物理仪器测不到。它激励科学家去进一步探索通过真空的加速运动是否会产生更显著的效应。
最近的一个研究把关注点放在惯性力上。惯性原先被定义为在没有外力的作用下物体或者处于静止或者处于匀速运动状态的特性，它成了经典运动定律的一部分。在这种伪装下，它成了物质的一个基本的定量特性，然而它没有揭示出它是如何与物质物体相关联的。E·马赫(Ernst·mach)认为惯性应当与宇宙中的所有物质相关，爱因斯坦试图把这一原理整合到广义相对论中去，但是他们都没有能提供令人信服的证明。最近海奇(Haisch)、罗达(Rueda)和普瑟夫提出了一种数学理论，该理论把惯性描述
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为起源于更基本层次和反抗宏观物体加速运动的洛伦兹力。自然物体穿越真空的加速运动产生一种磁场，按洛伦兹公式，构成该物体的粒子就被这一磁场所偏转。物体越大，包含的粒子就越多，因而偏转就越厉害，惯性

^① 利卡塔《从物质—能量到不可复归的信息过程——关于基础物理学范式转换的争论》，载《信息过程系统的进化》，K·哈夫勒主编，纽约，斯普林格出版社，1992 年。
^②    T·比尔登《迈向一种新的电磁学》，特斯拉图书公司，1983 年。
^①    B·海奇，A·罗达和 HE·普瑟夫《作为一种零点场洛伦兹力的惯性》，载《物理学评论》(A)49 卷，1994
年 2 月，第 2 期。 也就越大。按照这一理论，惯性是真空零点场的光谱畸变在加速参照系中产生的一种电磁阻力。由此看来，如果惯性和引力质量是同一的，不可区分的 （爱因斯坦的等效原理），那么质量本身就是在加速的电荷和零点电磁场相互作用的过程中产生的。这样，真空的零点场也许就是物理宇宙的真正基本要素，即它不仅是微观粒子 （在狄拉克海方面）的产生源泉，而且似乎还是物质内在特性（如质量，惯性和引力）的产生源泉。
根据一项有关的但仍有争议的发现，真空也与在其中传播的光子相互作用。当迈克尔逊—莫雷实验表明在光传播的路径上没有以太曳力时，这种相互作用被否定了。但这一结论似乎下得太早了，实验得出的否定结果可能是由于对结果的误解造成的。1913 年 G·桑奈克(GeorgesSagnac)就已经作出不同的发现。他证实，在转动坐标系中光的速度并不是恒定的，而是随转动的方向而变化。他坚持认为这些结果支持了惠更斯和菲涅耳的光
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的经典理论，并证明了以太的存在。桑奈克的解释后来受到了其他人的质疑，这些人中包括 P·朗之万。而朗之万的解释又受到了 H·伊维斯(Herbert·Ives)的质疑。伊维斯把彭加勒的相对性原理运用到迈克尔逊—莫雷实验的结果上，从而得到了“尺缩钟慢以太理论”。通过在普适参照系内精心建立洛伦兹运动方程，该理论不用相对时空的假定而解释了通常被引用来支持相对论的实验结果。关于光子传播的更明确的证据是由 E·谢尔弗托斯(Ernest·Silvertooth)提出的。1987 年，在纪念迈克尔逊—莫雷实验一百周年时他发表了证明光的波长随传播方向变化的实验结果。桑奈克的实验表明狭义相对论的光速恒定不适用于转动坐标系。与桑奈克的实验不同，谢尔弗托斯的实验显示，光速恒定也不适用于光的直线传播。地球看上去以某一绝对速度在宇宙空间运动，谢尔弗托斯测得的这一速度的值(378±19km/s)与天文家独立测定的同宇宙背景辐射有关的地球运动的值(365±18km/s)相吻合，与蒙斯坦(Monstein)的宇宙线分布各向异性的结论也相吻合。^②因此，迈克尔逊—莫雷实验所证明的也许是，在某一给定的参照系内光向后和向前速度的平均值是常数，这正是狭义相对论所需要的。而另一方面，他们并没有证明不管观察者是否运动，光的单向速度也同样是常数。
真空中的零点能的起源是另一个没有解决的问题。这些真空能或许是在宇宙诞生时作为边界条件的一部分任意确定下来的，或许它们是由带电粒子的运动逐渐产生的，普瑟夫坚持要论证后者。普瑟夫估计了由于时空

^②    G·桑奈克《均匀转动干涉计的以太相对运动效应所显示的传光以太》，载《科学》第 157 期，1913 年。
^①    H·伊维斯《围绕闭合通路传输的光信号》，载《美国光学协会杂志》28 卷，1938 年；或《迈克尔逊—莫雷实验的外推》，载《美国光学协会杂志》40 卷，1950 年。
^②    EW·谢尔弗托斯《以太的实验探测》，载《关于科学技术的思考》10 卷，1987 年；或《通过以太的运动》，载《电子学和无线电世界》1989 年 5 月；或《新迈克尔逊—莫雷实验》，载《物理探索》5 卷，1992 年。 中量子涨落而导致粒子辐射的特性 （根据带电粒子发射电磁辐射的理论，在空间中的辐射遵循该点到发射源距离的平方成反比的规律衰减）。由于以给定点源为中心的壳层内带电粒子的平均体积分布与壳层的面积成正比，因此来自于环绕壳层的辐射总量就会产生一种高能密度的辐射场，普瑟夫把它看作是真空零点场。他的计算表明，由零点场驱动的偶极振子的零点场辐射的吸收和再发射产生一种局部平衡过程：由零点场驱动的偶极子产生的辐射场恰好替补了来自零点场背景的被吸收了的辐射，这样，相对于频率和角分布两者而言就都有了一个具体的平衡基础。产生这种场的带电粒子的反馈环以及由该粒子产生的场的吸收是在大尺度上自我产生的。给定电荷所在的局部零点能背景来自于充满宇宙其余部分的零点场中的带电粒子的运动所产生的辐射。根据普瑟夫模型，充满宇宙的零点场的能量由量子的运动连续地产生，宇宙中所有粒子的总运动又驱动量子的运动，从而产生“自我创生的宇宙反馈循环。”最后我们应注意到，关于零点能的起源，光速的恒定和质量、引力、惯性的类物质特性的仍未解决的问题无论多么困难，但真空证明是描述量子场方程中的一个有意义的因子，这种量子场是在电磁学和量子理论的统一中得到的。正如自 1960 年开始进行的统计电动力学的研究工作所表明的，当真空中的涨落被看作是既定的已知事件时，量子行为的许多令人迷惑不解的方面都可以用经典的计算来解决。海奇等人指出，尽管宣称所有的量子现象都可以由统计电动力学来解释还为时过早，但有可能这一宣称将来会被证明是正确的。^①这样，只要零点场被作为实在的一种基本要素包含在内，人们就可以把经典物理学定律当作是对物理实在的基本正确的描述。
尽管在以上的讨论中我们还不能考虑当前与真空相关的理论的所有方面和更深层次的问题，但是我们已经就真空与宇宙中可观察到的事物的相互作用是一种显著的物理现象这一结论提出证据。这样，我们就有充分的理由去探索真空是否可能成为保证宇宙相互作用的宇宙场的物理基础了，而这种宇宙场正是物理和生物协调进化过程所需要的。

^①    H·A 普瑟夫《真空电磁学的零点能之源》，载《物理学评论(A)40 卷第 9 期，1989 年。
^①    B·海奇，A·罗达和 HE·普瑟夫《超越 E=mc2》载《科学》1994 年，11、12 月合刊。

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