量子涨落

量子涨落
量子涨落

量子涨落
【1】
“量子涨落：测不准原理允许的虚无空间状态的暂时性变化.量子测不准原理允许从完全全空无一物中间出现少许能量,前提是该能量在很短时间内重归消失（涨落涉及的能量越小,它持续的时间越长）”
【2】
动量p和位置q,它们真正地是“不共戴天”.只要一个量出现在宇宙中,另一个就神秘地
消失.要么,两个都以一种模糊不清的面目出现.海森堡很快又发现了另一对类似的仇敌
,它们是能量E和时间t.只要能量E测量得越准确,时刻t就愈加模糊；反过来,时间t测
量得愈准确,能量E就开始大规模地起伏不定.而且,它们之间的关系遵守相同的不确定
性规则：

△E×△t > h/2π

各位看官,我们的宇宙已经变得非常奇妙了.各种物理量都遵循着海森堡的这种不确定性
原理,此起彼伏,像神秘的大海中不断升起和破灭的泡沫.在古人看来,“空”就是空荡
荡无一物.不过后来人们知道了,看不见的空气中也有无数分子,“空”应该指抽空了空
气的真空.再后来,人们觉得各种场,从引力场到电磁场,也应该排除在“空”的概念之
外,它应该仅仅指空间本身而已.

但现在,这个概念又开始混乱了.首先爱因斯坦的相对论告诉我们空间本身也能扭曲变形
,事实上引力只不过是它的弯曲而已.而海森堡的不确定性原理展现了更奇特的场景：我
们知道t测量得越准确,E就越不确定.所以在非常非常短的一刹那,也就是t非常确定的
一瞬间,即使真空中也会出现巨大的能量起伏.这种能量完全是靠着不确定性而凭空出现
的,它的确违反了能量守恒定律!但是这一刹那极短,在人们还没有来得及发现以前,它
又神秘消失,使得能量守恒定律在整体上得以维持.间隔越短,t就越确定,E就越不确定
,可以凭空出现的能量也就越大.

所以,我们的真空其实无时无刻不在沸腾着,到处有神秘的能量产生并消失.爱因斯坦告
诉我们,能量和物质可以互相转换,所以在真空中,其实不停地有一些“幽灵”物质在出
没,只不过在我们没有抓住它们之前,它们就又消失在了另一世界.真空本身,就是提供
这种涨落的最好介质.

现在如果我们谈论“空”,应该明确地说：没有物质,没有能量,没有时间,也没有空间
.这才是什么都没有,它根本不能够想象（你能想象没有空间是什么样子吗?）.不过大
有人说,这也不算“空”,因为空间和时间本身似乎可以通过某种机制从一无所有中被创
造出来,我可真要发疯了,那究竟怎样才算“空”呢?


*********
饭后闲话：无中生有

曾几何时,所有的科学家都认为,无中生有是绝对不可能的.物质不能被凭空制造,能量
也不能被凭空制造,遑论时空本身.但是不确定性原理的出现把这一切旧观念都摧枯拉朽
一般地粉碎了.

海森堡告诉我们,在极小的空间和极短的时间里,什么都是有可能发生的,因为我们对时
间非常确定,所以反过来对能量就非常地不确定.能量物质可以逃脱物理定律的束缚,自
由自在地出现和消失.但是,这种自由的代价就是它只能限定在那一段极短的时间内,当
时刻一到,灰姑娘就要现出原形,这些神秘的物质能量便要消失,以维护质能守恒定律在
大尺度上不被破坏.

不过上世纪60年代末,有人想到了一种可能性：引力的能量是负数（因为引力是吸力,假
设无限远的势能是0,那么当物体靠近后因为引力做功使得其势能为负值）,所以在短时
间内凭空生出的物质能量,它们之间又可以形成引力场,其产生的负能量正好和它们本身
抵消,使得总能量仍然保持为0,不破坏守恒定律.这样,物质就真的从一无所有中产生
了.

许多人都相信,我们的宇宙本身就是通过这种机制产生的.量子效应使得一小块时空突然
从根本没有时空中产生,然后因为各种力的作用,它突然指数级地膨胀起来,在瞬间扩大
到整个宇宙的尺度.MIT的科学家阿伦•古斯（Alan Guth）在这种想法上出发,创
立了宇宙的“暴涨理论”（Inflation）.在宇宙创生的极早期,各块空间都以难以想象
的惊人速度暴涨,这使得宇宙的总体积增大了许多许多倍.这就可以解释为什么今天它的
结构在各个方向看来都是均匀同一的.

暴涨理论创立以来也已经出现多个版本,不过很难确定地证实这个理论究竟是否正确,因
为宇宙毕竟不像我们的实验室可以随心所欲地观测研究.但大多数物理学家对其还是偏爱
的,认为这是一个有希望的理论.1998年,古斯还出版了一本通俗的介绍暴涨的书,他最
爱说的一句话是：“宇宙本身就是一顿免费午餐.”意思是宇宙是从一无所有中而来的.

不过,假如再苛刻一点,这还不能算严格的“无中生有”.因为就算没有物质,没有时间
空间,我们还有一个前提：存在着物理定律!相对论和量子论的各种规则,比如不确定原
理本身又是如何从无中生出的呢?或者它们不言而喻地存在?我们越说越玄了,这就打住
吧.