量子真空，如何描述

作者：皮埃爾?比奈托利（Pierre Binétruy）

翻譯：葉欣欣

無窮烏有。

——帕斯卡，《沉思錄》，1670年

道生一，一生二，二生三，三生萬物。

萬物負陰而抱陽，沖氣以為和。

——老子，《道德經》

在日常用語中，「真空」就是去除一切後剩下的東西。如果不把它當成一個時空框架，重新引 入一些粒子、原子、分子的話,真空貌似價值不大......在量子力學領域，我們可以生成真空嗎？從嚴格意義上講是不可以的，因為總會有一些虛粒子出現或消失，無法從這些微觀波動中區分出真空。所以，人們傾向於用基本狀態——最小能量狀態來代替真空概念。傳統真空中的零能量，加上微小但數量眾多的波動能量，這些波動從統計意義上也貢獻了能量，這就是「最小能量狀態」。這聽上去有點複雜了，但物理學家通常會把這個概念加上，並把這個基本狀態稱為「量子真空」。問題的根源來了：這不過是一個語言表達上的混淆，量子真空其實不是真空，有時候連物理學家也被他們自己製造的文字遊戲騙倒了。每次看到「量子真空」這個詞,大家要記得，這就是基本狀態。

為了讓大家更好地理解這個概念，我舉一個聲音的例子：在攝影棚里，攝影師在某一布景里拍攝了不同場景後，錄音師要求整個拍攝團隊保持沉默，然後記錄靜音；事後，錄音師利用這些靜音完成銜接。影片中的布景裝飾、房間面積、出場演員、當日的天氣都是有特點的。雖然沒有聲音，卻充滿了聲音的起伏波動。量子真空也是一樣，它就是錄音師重建聲音時所用的背景。

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量子真空的概念理解起來有點困難，因為它涉及了無窮小——在無窮小中，各種量子力學定律是有效的；也涉及了無窮大，即整個宇宙。物理學家有哪些構想？如何描述量子真空？藝術家有時會找到一些捷徑，讓人們更好地理解這些晦澀難懂的概念。藝術既是描述，也是詮釋。

對於西方讀者來說，「真空」一詞給概念理解造成了困難：既然真空是清除一切之後剩餘的東西，物理學家又如何在其中看到了結構、對稱、漲落、能量……甚至還能讓一個真空向另一個真空演變？正因如此，量子物理學家更傾向於使用「基本狀態」的概念：在一個最小的能量狀態之上建立起一整套狀態，以此描述整個量子體系；這個最小的能量狀態被稱為「基本狀態」。一個粒子狀態建立在基本狀態之上，粒子的能量相當於基本狀態的能量再加上粒子的質量能量（mc2）；以此類推，接下來是兩個粒子狀態、三個粒子狀態……最終在基本狀態之上建立起一個「狀態塔」（圖VI.1）。

既然如此，那為什麼還要保留「量子真空」這個術語呢？「空」的概念在東方文化里有著豐富的含義。尤其在中國文化中，「空」（也稱「虛」）的概念更完善，而且非常接近物理學家對真空的理解。程抱一在《虛與實，中國繪畫語言研究》（Vide et plein, le langage pictural chinois）一書中曾說過：「在中國人的概念中，『虛』並不像西方人設想的那樣，是一些模糊或不存在的東西，而是極具活力、極其活躍的元素。『虛』與『氣』和『陰陽更替』的原理相聯，為萬物變化提供了絕佳的場所。在『虛』之中，『實』才能真正達到豐滿。」我在書中著重標出了這句話。可見，在東方文化里，「空」的概念比西方有活力得多，而且與「實」的概念之間有著豐富的交集。同樣，在物理學中，「實」是建立在「空」的基礎之上的。此外，本篇開處引述的老子這句名言與圖VI.1展示的量子構造之間，有著極其驚人的相似之處。

當物理學家談及量子真空的時候，浮現在他們腦海里的另一個形象是量子漲落的彙集。一些粒子與反粒子組從真空中產生，然後進行複合，重新變為真空。這會產生相當於2倍mc2能量的破壞力（粒子與反粒子有相同的質量m）。但是，量子力學允許在一段時間內出現這種破壞力，而且粒子質量越大，破壞時間越短。這些粒子與反粒子對被稱為「虛粒子對」，因為它們不能被探測到，否則，這個能量的破壞力會十分明顯。這意味著，量子真空中可能潛在飽含所有粒子，也就是說，飽含宇宙中所有的潛在能量。正是這個潛能，把能量賦予了真空。

如何描述量子真空呢？我腦海中浮現的第一個圖景是日本禪意庭院：園丁用釘耙鋪設出白色砂礫圖案，形成有節奏的花園背景；在此背景上，再加上幾組山石或小灌木的裝飾。量子真空跟這個白砂背景一樣，沒有特別的限定，但這是宇宙構建的基礎——宇宙如同庭院一樣，雖然被牆圍出了邊界，但樹上的花或葉叢越過了牆，讓庭院與外界依然保持著持久的對話。

這些古老而精緻的庭院，如京都的龍安寺庭院（圖VI.2），都加入了時間的維度。在某種意義上，比花園高出幾個台階的木質平台A就代表了時間：來此觀賞花園的一代代遊客留下了他們的思考、夢想和經歷。庭院飽含著所有這些虛幻的故事、所有潛在的可能。在幾個世紀內，庭院已經遠遠超出了鋪設精美的砂礫與山石。如同量子真空一般……

我腦海中的第二個圖景在西班牙巴斯克地區的安多艾恩市，一座採石場里的一場音樂會。作曲家卡格爾·艾達創作的電聲音樂作品名為「真空波動」。音樂充滿了空曠的採石場，再現了虛幻的山峰——隨著不斷開採，山峰隨著一塊接一塊被搬走的石頭而消失。每塊離去的石頭被聲音的波動所重現。

第三個圖景在我們的實驗室里：阿提拉·徹爾格的作品「化圓為方」（Squaring the Circle）藏在黑色屏幕里（圖VI.3）；四葉草狀的鏡子反射出光芒，投射出圓形碟片的方形陰影。圓圈是宇宙本身，而這個作品反映出，圓圈本身有著變成方形的潛在可能——圓圈如同虛擬的方形。在這個作品中，量子真空是什麼？在我看來，是光。因為在這裡，光是展示變化潛能的介質。

如何描述量子真空呢？瑪麗－歐迪爾·蒙西古爾曾在「起源實驗室」（Labos Origins）提出這個問題。「起源實驗室」是科學家與藝術家的交流平台，大家在此共同討論「起源」問題。我們曾舉辦過一場主題為「量子真空」的表演。「空」同樣具有起源的意義。在中國的哲學思想中，「空」甚至是起源的至高狀態。我不得不承認，在展示表演中，無論是描述量子真空特徵，還是從預設圖景中呈現真空樣貌，我們這些物理學家都顯得十分笨拙。然而，藝術家的表演更加清晰：舞台上出現了一個完全不對稱的金屬結構——我們物理學家有講過真空結構嗎？雜技演員在這個真空結構上舒展身體，通過身體的運動展現引力的束縛——我們物理學家有強調過真空對引力的關鍵作用嗎？我覺得沒有吧……

藝術反而更善於展現出激動人心的科學縮影。我們這些科學家難以看到的某種聯繫，在情感的直覺和身體的感悟中自然地呈現出來。真空作為一種能量形式，確實與引力有著聯繫。幾年前，我寫過一篇文章，名為《不能承受的真空之輕》（L』insoutenable légèreté du vide）。最令人驚訝的事實是，真空比它表現出來的還要輕。這就是讓物理學家憂心不已的真空能量問題。理解引力，理解引力融合量子世界定律的方式，能讓我們找到答案嗎？藝術家們也許也應該來關心一下這個問題？

本文節選編輯自《追蹤引力波：尋找時空的漣漪》（人民郵電出版社，2017.3），經出版社授權刊登。

本書以淺顯易懂的物理學和天文學知識為起點，詳細講述了引力的奧秘，闡釋了引力波及其發現對物理學和天文學發展的深刻意義，介紹了在全球範圍內，人們為探索引力波而創造的最新尖端技術。

這本書是通往「引力宇宙」的大門。閱讀這本書，你不需要掌握高深的科學知識，書里也沒有愛因斯坦廣義相對論的數學公式。不過，我會在書中介紹一些已獲得廣泛認可的觀點與概念，它們既是當下最新的研究課題，也是科學界爭論的熱門話題。理解書中所有內容還是需要你付出一點努力。但無論如何，所有必須的基本知識工具，本書大致上都清晰地介紹了。

來源：《追蹤引力波：尋找時空的漣漪》

編輯：J.C

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