“無”的真空及其應(yīng)用

陳壯叔

在1998年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙在加速膨脹。那么，究竟是什么東西在推動宇宙膨脹呢？目前較為一致的看法是所謂的暗能量，也即真空空間本身具有的一種潛在的能量。自此后，科學(xué)界深入到早先哲學(xué)家談?wù)摰脑掝}，即宇宙的“有”與“無”。而今，物理學(xué)家認為真空空間并非絕對的“無”。

早在20世紀(jì)20年代，量子論把真空視為某種東西沸騰的海洋。德國物理學(xué)家w，海森堡提出了著名的測不準(zhǔn)原理。他說，幾對密切相關(guān)的可測物理量，它們之間的關(guān)系卻是你越多地知道其中的一個，就越少地知道另一個。

能量和時間就是這樣的一對。這意味著你無法精確地測定一個物理系統(tǒng)的能量，除非時間是完全不精確的。那就是說，你用無限的時間去做測量，結(jié)果是永遠也不能精確測出真空零能量的“無”。據(jù)量子論，即使是一個完整的真空也充滿著不停波動的類波的場，涌現(xiàn)出眾多的短命粒子。它們不知在何處出現(xiàn)，繼而又消失，給真空一個明確的非零“零點能”。

這一量子論的真空說明，對“無”的特性給出了新的動力?，F(xiàn)在科學(xué)界認為，新型的鮮活真空具有實際效應(yīng)。仔細地觀測原子運動，你可以看到一種被稱為蘭姆位移的微小效應(yīng)。在這一過程中，真空波動擠壓了一個軌道上的電子，微妙地改變了它的能量，使其自發(fā)地在原子的兩個能級間跳動，并放射出光子。

在這些真空效應(yīng)中，要數(shù)H.開歇米爾的思想最為搶眼。1948年，他跟同事彼得一起研究。彼得是丹麥的物理學(xué)家，他了解膠質(zhì)如何處于穩(wěn)態(tài)平衡。膠質(zhì)是一種混合物，在膠黏過程中，它的一種物質(zhì)進入另一物質(zhì)，這種介質(zhì)中分子間的力會很快地散去，速度比經(jīng)典電磁力學(xué)所計算出來的更快，似乎有某種東西把組成分子拉得更緊。

開歇米爾計算指出，上述的“某種東西”可能是真空的行為。要在復(fù)雜的膠質(zhì)分子中得出真空效應(yīng)是不可能的，因此開歇米爾提出一個簡單的模型系統(tǒng)，僅由兩塊平行的金屬板組成。它顯示出，可能產(chǎn)生的真空波動正好加大了兩板間的引力。他解釋道，兩板間的空隙限制了真空波動的波長，即在空隙之外真空波動可選擇任何波長。因此，外面有更多的波，它們勢必也加在兩極之上。

這個效應(yīng)是十分微弱的，兩塊相隔10納米的板受到的壓力相當(dāng)于我們頭上空氣的壓力。如此微弱的一個貢獻，易被眾多其他的效應(yīng)所掩蓋，諸如兩板表面電荷間殘存的靜電引力。

因此，要相信真空效應(yīng)的存在是很困難的。耶魯大學(xué)的實驗專家洪頓說：“你必須知道，你正在測量的是開歇米爾力。”言外之意是，你無法肯定它來自真空。再說，要把兩板排成完整的平行也并非易事，而要計算預(yù)期的其他效應(yīng)，將會碰到極為復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題。

直到1996年，物理學(xué)家s，萊莫瑞克斯有了突破。他極為仔細地排除了所有其他效應(yīng)后，發(fā)現(xiàn)有一個極小的殘余力，把一塊金屬板和一個球形鏡拉在一起。看來開歇米爾效應(yīng)并非是理論家的一個白日夢。

1955年，蘇聯(lián)物理學(xué)家E.立夫歇茲預(yù)言，真空波動的尺度將提高周圍的溫度，而產(chǎn)生一個能覆蓋較長距離的強烈的力。在2011年2月，萊莫瑞克斯及其同事研究后說，這是一個確實的情況。

2011年，瑞典物理學(xué)家C.威爾遜及其研究小組，提供了一個特別奇怪的現(xiàn)象。他們宣稱，通過壓縮虛無空間就能產(chǎn)生出光。這是對開歇米爾效應(yīng)的一個新拓展。該觀點認為，一個完整的真空（在物理世界中被定義為“無”）包含著潛在的能量，它能用來使物體運動，甚至創(chuàng)造物質(zhì)。

威爾遜說，他們把開歇米爾效應(yīng)轉(zhuǎn)了向，即不是利用真空暴出粒子去改變環(huán)境，而是使真空的四周快速運動，從而產(chǎn)生光子。自開歇米爾效應(yīng)被提出以來，這個觀點一直處于矛盾之中，而今，真空能量的觀點有了一個公論的證據(jù)。

隨著有關(guān)這種效應(yīng)證據(jù)的增多，出現(xiàn)了一種想法，即利用真空能來駕馭我們的裝置。目前最為人熟知的建議，便是用它來為nano機器加力。這與原先的開歇米爾效應(yīng)稍有不同，后者的吸引效應(yīng)是把物體拉攏，而今則反其道而行之。

專家們通過改變結(jié)構(gòu)的幾何形狀或材料的特性，從而限制真空波動，使開歇米爾效應(yīng)的方向反轉(zhuǎn)，造成一個外向壓力，使兩物體相互推開。2008年，麻省理工學(xué)院的S.強生及其同事通過計算得出，在兩塊金屬板間襯以一系列的簡單裝置，在理論上，即可在該兩板間得到斥力。最近，據(jù)哥倫比亞大學(xué)的麥斯勞夫斯基等人的研究，一種類似的效應(yīng)可在nano金屬桿上產(chǎn)生斥力區(qū)域，抬升nano金屬棒。

這種力有助于nano部件（諸如鑰匙、齒輪、軸或其他傳動部件）運動而無干擾，但要把這類裝置投入使用還要待以時日。首先，這些部件必須在原子尺度上進行拋光，因金屬表面不像我們想象中那樣光滑，而是含有類晶體結(jié)構(gòu)，這會限制真空波動，影響開歇米爾力的尺度。為了推動這些部件，過程極為復(fù)雜。

但隨著技術(shù)的進步，這些復(fù)雜性是可以克服的。2009年，哈佛大學(xué)的F.凱伯斯小組測量了開歇米爾斥力。他們制作了一個簡單而精細的裝置：在一塊硅表面上放上溴化苯液體，并在液體中安上一根黃金懸臂，最終在懸臂上測得僅為幾十微微牛的力。但當(dāng)你打算移動nano粒子時，還有不少障礙必須排除。因此，開歇米爾裝置進人我們的生活并非易事。強生說：“這是一個技術(shù)問題，我們能制造出如此微波和靈敏的東西嗎？這同時也是一個理論問題，一旦我們在技術(shù)上能付諸實施，人們是否對這類nano裝置感興趣呢？”

另一方面，在開歇米爾的計算中，他們把真空波動解釋為弱化的某種力。若如此，那么多種同樣的弱化力都可以簡單地獲得，只要在有限的時間內(nèi)把力傳送到足夠長的距離上，諸如兩板相隔的幾十或幾百納米。在20世紀(jì)70年代，諾貝爾獎得主、物理學(xué)家J.斯克溫格爾通過計算對這種觀點曾予以肯定，但他從不相信真空波動能發(fā)展成一種量子場論。在斯克溫格爾看來，開歇米爾效應(yīng)正好能視為“帶電物質(zhì)的量子相互作用，而不是真空的行為”。

麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家R.賈非說，真空闡釋之所以如此風(fēng)行，唯一的原因是其數(shù)學(xué)大為簡化。他說：“這是一種輕率的態(tài)度，人們把開歇米爾效應(yīng)視為真空波動的證據(jù)，但沒有證據(jù)證明，真空波動出現(xiàn)于沒有物質(zhì)的地方。”類似的，其他效應(yīng)，諸如蘭姆位移和原子的自發(fā)放射光子，都可以描述為電荷相互作用的純結(jié)果。

若如此，其影響將比我們做好nano機器大得多。在過去20年，科學(xué)界認識到宇宙在加速膨脹，這種現(xiàn)象被歸于一種神秘暗能量的作用，它為真空能點燃了新的希望?，F(xiàn)在，我們對這個暗藏著的真空能的最佳計算結(jié)果，比宇宙膨脹加速所需能量大120個數(shù)量級！這已說不上誤差了，而是完全不相匹配，這很可能說明我們對暗能量的本質(zhì)知之甚少。而同時。人們對開歇米爾效應(yīng)的觀測卻十分熱切，并認為這種效應(yīng)似乎是一種決定我們宇宙命運的能量。

按斯克溫格爾的看法，我們不可能相信真空能可以確實存在，因為任何企圖證實它存在的做法，都會把某種物質(zhì)形式引入方程。正如科學(xué)哲學(xué)家S.勞夫和H.菲克曼格爾于2001年所說的那樣：“看來不可能做出決定，這種效應(yīng)是否出自真空本身……或者，都是測量過程中被引入的?！?/p>

威爾遜認為，若從他的裝置中出現(xiàn)的光子也為其他研究者所證實，就足以說明真空波動的確實存在。同樣的，隨著我們有能力制造精致的nano機器，在未來歲月中測試開歇米爾效應(yīng)的機會也會因此增加。

虛無的本質(zhì)究竟是什么？“無”真的能出自虛無嗎？我們可能還是有必要再多問幾遍！