引进量子真空

天文科普
20年10月10日
编辑

我是好人

引进量子真空
现在的证据正在不断增多：相互关联的全息场是一种宇宙量子真空的特殊显现形式。但是，究竟什么是量子真空呢？这一术语似乎很神秘，因为它代表了物理宇宙的最重要方面之一（虽然人们对其知之甚少），所以它完全值得我们去进行更深入地考察。
在当代量子物理学中，量子真空被定义为其方程既遵守波动力学也遵守狭义相对论的系统的最低能量状态。然而，它远远不只是一种系统的状态，它也是神秘的“零点能”场（“zero-pointenergy”field）显示自己的地方，这种场的能量当所有其他场处在零点能的时候就会出现。零点能是“实际的”能，但它们与经典的电磁力、引力和核力并不一样，不过，它们是宇宙的电磁力、引力和核力的真正源泉。正由于此，它们也是束缚于质量中的能（居住在已知宇宙中的物质粒子）的创生源泉。
作为量子真空基础的零点能场的专业定义显示，它是一种几乎无限的，在其中物质粒子成为显现的亚结构的能量海。根据英国物理学家 P·狄拉克的计算，在正能态中所有粒子都有负能量的对应配对物（到目前为止，所有这样的现存已知粒子的“反粒子”都已经通过实验发现了）。量子真空的零点能组成了“狄拉克海”：负能量的粒子海。尽管这些粒子是不可观察的，但它们决不是虚幻的，如果用足够的能量（数量级在
10²⁰J/cm³）去激励真空零点场的负能态，那个场的特定区域就能被“踢”进真实的（即可观察到的）正能态。这一过程称之为粒子偶产生：正能（现实的）粒子与其反粒子一起从场中出现。这样，哪里有物质，哪里就有狄拉克海，可观察到的宇宙就好像漂浮在其表面上。
尽管今天的绝大多数科学家对这种神秘的能量领域仍相当无知，但对它的兴趣正很快增长。现在人们已经知道，正是量子真空才创生了可观察的宇宙（当它的区域[闵可夫斯基真空]变得急剧地不稳定并分裂成物质和引力时），正是这一宏大的能量场（宇宙随后的和更为平静地膨胀的罗伯孙—瓦尔克[Robertson-Walker]阶段）才合成了存在于空间和时间中的物质粒子。人们还知道，量子真空不仅是宇宙中物质的源泉，而且还是物质的渊薮。S·霍金著名的黑洞理论显示，在黑洞的“事件范围”内，真空中合成的粒子偶中的一个粒子就会逃进周围空间，而它的“同胎反粒子”则被吸进黑洞，在那儿它衰变回真空零点场。
这种场包含巨大的能量密度，J·惠勒估计它的密度等于 10⁹⁴g/cm³，乍看上去并不令人惊心动魄，而实际上这一数量比我们已知宇宙的所有物质还要多。与这一能级相比，原子核的能量密度（宇宙中最密实的能量块）看来是小巫见大巫了：它仅仅是 10¹³g/cm³。
如果真空零点场的能量是普通的正能量，那么宇宙就将立即崩坍为比针尖还要小的体积（或实际上为原子的直径），这是根据爱因斯坦著名的公式 E=mc²（该公式定义了能量和质量之间的等量关系）得出的结论。与质量相联系的真实能量与特定的万有引力的大小相对应，这样一来，如果巨大的真空能量是真实能量，那么它就会把所有膨胀的恒星和星系凝缩进剧变的和完全不可想象的“破灭点”。
但是，至少直到我们宇宙的最终阶段（即我们现存的宇宙周期的最终阶段），物质世界相对于这种最终的灾难来说是安全的。今天和未来的几十亿年内，已知的宇宙仍将继续漂浮在这一巨大能量场的顶部，更确切地说，它将继续与之共同存在，就像一组气泡悬挂在其中一样。我们所知道的和我们作为其一部分的物质世界并不是真空零点场的一种凝固体，而是真正的一种薄雾体。