真空,“無”中生“有”的物理學

真空基礎 郭光燦 《科學世界》

  “真空”,字面上的意思似乎是空空如也。然而在物理學中,這個看似空無一物的概念卻有著異常豐富和令人著迷的內容。

  19世紀,物理學家比較流行的看法是“真空中充滿著以太”。直觀看來,波動是需要某種媒介的。既然電磁波能夠在整個空間傳播,那么宇宙空間就應該彌漫著一種特殊的媒介,即以太。

真空

  亞里士多德認為,世間萬物由火、水、土、氣4種元素構成,且宇宙中充滿第5種元素——以太。

  然而,著名的邁克耳孫-莫雷實驗否定了這種以太的存在。1905年,愛因斯坦提出了狹義相對論,摒棄了以太的概念:電磁場本身就是一種物質,電磁波是它的運動形式,不需要依賴以太這種媒介就可以在空間中傳播。

  第一次量子革命誕生了量子力學,給人們打開了微觀世界的大門,也賦予了真空更加豐富的物理內容。

  20世紀20年代,狄拉克提出“真空是電子海”。他認為,真空可以看成是填滿了所有負能量狀態的電子形成的大海,而我們通?吹降膸в姓芰康碾娮,則在這個海面上運動。

  50年代,費曼等人提出了“真空漲落”的概念。他們認為,真空中存在著大量的虛光子和正負電子對。電子在這樣一個真空背景中運動,就好像包裹了一件由各種真空漲落形成的衣服。

真空

  圖像是粒子與反粒子因“漲落”而不斷產生與消失的示意圖。山峰表示高能狀態,成對生成粒子與反粒子。新生成的粒子與反粒子相撞后瞬間消失。從微觀尺度來看,不存在任何物質的真空也是一個沸騰的世界。

  60年代,包括溫伯格在內的多位諾貝爾獎得主提出了“真空自發對稱破缺”的概念。他們認為,系統的運動具有某種對稱性,但是系統的基態或真空態卻不具有這種對稱性。宇宙中充滿著希格斯場,它的自發對稱破缺賦予了萬物的質量。質量的起源是物理學中最根本的問題之一,而真空在這里起到了核心作用。

  到了70年代,幾位著名物理學家提出了“真空凝聚和真空相變”的概念。正如水有固、液、氣等好幾種相,通過溫度變化可以發生相變。他們認為,在較低能量下,真空處于凝聚相;而在極高的能量時,真空可以發生相變,產生全新的物態。

  20世紀90年代以來,量子信息的研究掀起了第二次量子革命。量子信息的基本單元是量子比特,量子比特可以處在兩個基本態的任意疊加態。多個量子比特能夠形成被愛因斯坦稱為“鬼魅般超距作用”的量子糾纏。處在糾纏態的粒子即使空間上分隔遙遠,卻存在著量子關聯,稱為量子非局域性。量子信息視角下真空概念的研究,為回答基本物理問題提供了嶄新的契機。

  惠勒曾經提出一個令人深思的論斷:“萬物源于比特”(It from bit)。這種觀點認為信息是非;镜,宇宙萬物(包括任何粒子和場,甚至時空)都起源于信息的基本單元—比特。量子信息的研究興起以后,這一論斷升華為“萬物源于量子比特”(It from qubit)。這是一種全新形式的以太論—量子以太,眾多學者深入研究了這一饒有趣味且非常重要的概念。

  包括筆者在內的一些學者提出“只考慮量子比特(即二值理論)來構建萬物理論是不夠用的。”我們從實驗中發現,量子力學中有強于二值關聯的存在,或者說多值問題是不能通過拆解成二值來實現的。這觸及了一個至關重要的問題—必須以多值關聯的量子糾纏為基礎構建萬物的理論。

  還有一些學者提出“時空結構起源于量子糾纏”。一方面,物理學家使用糾纏熵來表示量子糾纏的大小,很多量子體系的糾纏熵正比于其邊界的大小。另一方面,引力也有類似的性質,例如黑洞的熵與包圍該區域的表面積成正比。有意思的是,糾纏熵所遵循的這一面積定律與黑洞的熵有著深刻的聯系。這啟發人們將理解時空本質的希望寄托到它與量子信息的聯系上。

  這些學者進一步猜想,存在連接兩個不同時空區域的通道,即蟲洞。量子糾纏創造了蟲洞,而蟲洞連接著兩個相距遙遠的處于糾纏態的粒子。于是,時空結構起源于量子糾纏, 而量子糾纏的變化進而改變了時空結構,從而產生出引力。從量子信息的視角審視真空,有可能加深關于時空和宇宙本源的理解。

  而包括文小剛在內的一些物理學家則提出“真空是量子比特海”。如果把這些量子比特類比于一個個水分子,那么量子比特的長程糾纏就像是水分子組成一條條弦。這些弦填充在整個空間中,稱為弦網液體。這種量子以太可以涌現出各種基本粒子和各種基本相互作用,成為萬物的起源!

  由此可見,以太的概念又一次出現在物理學中,與空間、物質、能量等最基本的問題緊密聯系在一起。盡管經典以太的概念被摒棄,但量子以太與量子真空的概念卻在現代物理學中占有極其重要甚至是根本性的地位。從量子信息視角對于真空本質的進一步研究,或將為物理學帶來革新性的發展。也許,“無中生有”是對它最好的詮釋。