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    量子真空,如何(自我)描述

    2017年4月9日 来源: 中科院物理所

    无穷乌有。

    ——帕斯卡,《沉思录》,1670年

    道生一,一生二,二生三,三生万物。

    万物负阴而抱阳,冲气以为和。

    ——老子,《道德经》

    在日常用语中,“真空”就是去除一切后剩下的东西。如果不把它当成一个时空框架,重新引 入一些粒子、原子、分子的话,真空貌似价值不大......在量子力学领域,我们可以生成真空吗?从严格意义上讲是不可以的,因为总会有一些虚粒子出现或消失,无法从这些微观波动中区分出真空。所以,人们倾向于用基本状态——最小能量状态来代替真空概念。传统真空中的零能量,加上微小但数量众多的波动能量,这些波动从统计意义上也贡献了能量,这就是“最小能量状态”。这听上去有点复杂了,但物理学家通常会把这个概念加上,并把这个基本状态称为“量子真空”。问题的根源来了:这不过是一个语言表达上的混淆,量子真空其实不是真空,有时候连物理学家也被他们自己制造的文字游戏骗倒了。每次看到“量子真空”这个词,大家要记得,这就是基本状态。

    为了让大家更好地理解这个概念,我举一个声音的例子:在摄影棚里,摄影师在某一布景里拍摄了不同场景后,录音师要求整个拍摄团队保持沉默,然后记录静音;事后,录音师利用这些静音完成衔接。影片中的布景装饰、房间面积、出场演员、当日的天气都是有特点的。虽然没有声音,却充满了声音的起伏波动。量子真空也是一样,它就是录音师重建声音时所用的背景。

    ...............

    量子真空的概念理解起来有点困难,因为它涉及了无穷小——在无穷小中,各种量子力学定律是有效的;也涉及了无穷大,即整个宇宙。物理学家有哪些构想?如何描述量子真空?艺术家有时会找到一些捷径,让人们更好地理解这些晦涩难懂的概念。艺术既是描述,也是诠释。

    对于西方读者来说,“真空”一词给概念理解造成了困难:既然真空是清除一切之后剩余的东西,物理学家又如何在其中看到了结构、对称、涨落、能量……甚至还能让一个真空向另一个真空演变?正因如此,量子物理学家更倾向于使用“基本状态”的概念:在一个最小的能量状态之上建立起一整套状态,以此描述整个量子体系;这个最小的能量状态被称为“基本状态”。一个粒子状态建立在基本状态之上,粒子的能量相当于基本状态的能量再加上粒子的质量能量(mc2);以此类推,接下来是两个粒子状态、三个粒子状态……最终在基本状态之上建立起一个“状态塔”(图VI.1)。

    既然如此,那为什么还要保留“量子真空”这个术语呢?“空”的概念在东方文化里有着丰富的含义。尤其在中国文化中,“空”(也称“虚”)的概念更完善,而且非常接近物理学家对真空的理解。程抱一在《虚与实,中国绘画语言研究》(Vide et plein, le langage pictural chinois)一书中曾说过:“在中国人的概念中,‘虚’并不像西方人设想的那样,是一些模糊或不存在的东西,而是极具活力、极其活跃的元素。‘虚’与‘气’和‘阴阳更替’的原理相联,为万物变化提供了绝佳的场所。在‘虚’之中,‘实’才能真正达到丰满。”我在书中着重标出了这句话。可见,在东方文化里,“空”的概念比西方有活力得多,而且与“实”的概念之间有着丰富的交集。同样,在物理学中,“实”是建立在“空”的基础之上的。此外,本篇开处引述的老子这句名言与图VI.1展示的量子构造之间,有着极其惊人的相似之处。

    当物理学家谈及量子真空的时候,浮现在他们脑海里的另一个形象是量子涨落的汇集。一些粒子与反粒子组从真空中产生,然后进行复合,重新变为真空。这会产生相当于2倍mc2能量的破坏力(粒子与反粒子有相同的质量m)。但是,量子力学允许在一段时间内出现这种破坏力,而且粒子质量越大,破坏时间越短。这些粒子与反粒子对被称为“虚粒子对”,因为它们不能被探测到,否则,这个能量的破坏力会十分明显。这意味着,量子真空中可能潜在饱含所有粒子,也就是说,饱含宇宙中所有的潜在能量。正是这个潜能,把能量赋予了真空。

    如何描述量子真空呢?我脑海中浮现的第一个图景是日本禅意庭院:园丁用钉耙铺设出白色砂砾图案,形成有节奏的花园背景;在此背景上,再加上几组山石或小灌木的装饰。量子真空跟这个白砂背景一样,没有特别的限定,但这是宇宙构建的基础——宇宙如同庭院一样,虽然被墙围出了边界,但树上的花或叶丛越过了墙,让庭院与外界依然保持着持久的对话。

    这些古老而精致的庭院,如京都的龙安寺庭院(图VI.2),都加入了时间的维度。在某种意义上,比花园高出几个台阶的木质平台A就代表了时间:来此观赏花园的一代代游客留下了他们的思考、梦想和经历。庭院饱含着所有这些虚幻的故事、所有潜在的可能。在几个世纪内,庭院已经远远超出了铺设精美的砂砾与山石。如同量子真空一般……

    我脑海中的第二个图景在西班牙巴斯克地区的安多艾恩市,一座采石场里的一场音乐会。作曲家卡格尔·艾达创作的电声音乐作品名为“真空波动”。音乐充满了空旷的采石场,再现了虚幻的山峰——随着不断开采,山峰随着一块接一块被搬走的石头而消失。每块离去的石头被声音的波动所重现。

    第三个图景在我们的实验室里:阿提拉·彻尔格的作品“化圆为方”(Squaring the Circle)藏在黑色屏幕里(图VI.3);四叶草状的镜子反射出光芒,投射出圆形碟片的方形阴影。圆圈是宇宙本身,而这个作品反映出,圆圈本身有着变成方形的潜在可能——圆圈如同虚拟的方形。在这个作品中,量子真空是什么?在我看来,是光。因为在这里,光是展示变化潜能的介质。

    如何描述量子真空呢?玛丽-欧迪尔·蒙西古尔曾在“起源实验室”(Labos Origins)提出这个问题。“起源实验室”是科学家与艺术家的交流平台,大家在此共同讨论“起源”问题。我们曾举办过一场主题为“量子真空”的表演。“空”同样具有起源的意义。在中国的哲学思想中,“空”甚至是起源的至高状态。我不得不承认,在展示表演中,无论是描述量子真空特征,还是从预设图景中呈现真空样貌,我们这些物理学家都显得十分笨拙。然而,艺术家的表演更加清晰:舞台上出现了一个完全不对称的金属结构——我们物理学家有讲过真空结构吗?杂技演员在这个真空结构上舒展身体,通过身体的运动展现引力的束缚——我们物理学家有强调过真空对引力的关键作用吗?我觉得没有吧……

    艺术反而更善于展现出激动人心的科学缩影。我们这些科学家难以看到的某种联系,在情感的直觉和身体的感悟中自然地呈现出来。真空作为一种能量形式,确实与引力有着联系。几年前,我写过一篇文章,名为《不能承受的真空之轻》(L’insoutenable légèreté du vide)。最令人惊讶的事实是,真空比它表现出来的还要轻。这就是让物理学家忧心不已的真空能量问题。理解引力,理解引力融合量子世界定律的方式,能让我们找到答案吗?艺术家们也许也应该来关心一下这个问题?

    本文节选编辑自《追踪引力波:寻找时空的涟漪》(人民邮电出版社,2017.3),经出版社授权刊登。

    本书以浅显易懂的物理学和天文学知识为起点,详细讲述了引力的奥秘,阐释了引力波及其发现对物理学和天文学发展的深刻意义,介绍了在全球范围内,人们为探索引力波而创造的最新尖端技术。

    这本书是通往“引力宇宙”的大门。阅读这本书,你不需要掌握高深的科学知识,书里也没有爱因斯坦广义相对论的数学公式。不过,我会在书中介绍一些已获得广泛认可的观点与概念,它们既是当下最新的研究课题,也是科学界争论的热门话题。理解书中所有内容还是需要你付出一点努力。但无论如何,所有必须的基本知识工具,本书大致上都清晰地介绍了。

    编辑:J.C

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    玉舞2017/4/9 10:25

    扯,光就是能量感递的一种存在形势,量子真空会纯粹吗?呵呵

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