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作者：皮埃尔·比奈托利（Pierre Binétruy） 翻译：叶欣欣 无穷乌有。 ——帕斯卡，《沉思录》，1670年
道生一，一生二，二生三，三生万物。 万物负阴而抱阳，冲气以为和。 ——老子，《道德经》 在日常用语中，“真空”就是去除一切后剩下的东西。如果不把它当成一个时空框架，重新引 入一些粒子、原子、分子的话,真空貌似价值不大......在量子力学领域，我们可以生成真空吗？从严格意义上讲是不可以的，因为总会有一些虚粒子出现或消失，无法从这些微观波动中区分出真空。所以，人们倾向于用基本状态——最小能量状态来代替真空概念。传统真空中的零能量，加上微小但数量众多的波动能量，这些波动从统计意义上也贡献了能量，这就是“最小能量状态”。这听上去有点复杂了，但物理学家通常会把这个概念加上，并把这个基本状态称为“量子真空”。问题的根源来了：这不过是一个语言表达上的混淆，量子真空其实不是真空，有时候连物理学家也被他们自己制造的文字游戏骗倒了。每次看到“量子真空”这个词,大家要记得，这就是基本状态。 为了让大家更好地理解这个概念，我举一个声音的例子：在摄影棚里，摄影师在某一布景里拍摄了不同场景后，录音师要求整个拍摄团队保持沉默，然后记录静音；事后，录音师利用这些静音完成衔接。影片中的布景装饰、房间面积、出场演员、当日的天气都是有特点的。虽然没有声音，却充满了声音的起伏波动。量子真空也是一样，它就是录音师重建声音时所用的背景。 ............... 量子真空的概念理解起来有点困难，因为它涉及了无穷小——在无穷小中，各种量子力学定律是有效的；也涉及了无穷大，即整个宇宙。物理学家有哪些构想？如何描述量子真空？艺术家有时会找到一些捷径，让人们更好地理解这些晦涩难懂的概念。艺术既是描述，也是诠释。 对于西方读者来说，“真空”一词给概念理解造成了困难：既然真空是清除一切之后剩余的东西，物理学家又如何在其中看到了结构、对称、涨落、能量……甚至还能让一个真空向另一个真空演变？正因如此，量子物理学家更倾向于使用“基本状态”的概念：在一个最小的能量状态之上建立起一整套状态，以此描述整个量子体系；这个最小的能量状态被称为“基本状态”。一个粒子状态建立在基本状态之上，粒子的能量相当于基本状态的能量再加上粒子的质量能量（mc2）；以此类推，接下来是两个粒子状态、三个粒子状态……最终在基本状态之上建立起一个“状态塔”（图VI.1）。 既然如此，那为什么还要保留“量子真空”这个术语呢？“空”的概念在东方文化里有着丰富的含义。尤其在中国文化中，“空”（也称“虚”）的概念更完善，而且非常接近物理学家对真空的理解。程抱一在《虚与实，中国绘画语言研究》（Vide et plein, le langage pictural chinois）一书中曾说过：“在中国人的概念中，‘虚’并不像西方人设想的那样，是一些模糊或不存在的东西，而是极具活力、极其活跃的元素。‘虚’与‘气’和‘阴阳更替’的原理相联，为万物变化提供了绝佳的场所。在‘虚’之中，‘实’才能真正达到丰满。”我在书中着重标出了这句话。可见，在东方文化里，“空”的概念比西方有活力得多，而且与“实”的概念之间有着丰富的交集。同样，在物理学中，“实”是建立在“空”的基础之上的。此外，本篇开处引述的老子这句名言与图VI.1展示的量子构造之间，有着极其惊人的相似之处。
当物理学家谈及量子真空的时候，浮现在他们脑海里的另一个形象是量子涨落的汇集。一些粒子与反粒子组从真空中产生，然后进行复合，重新变为真空。这会产生相当于2倍mc2能量的破坏力（粒子与反粒子有相同的质量m）。但是，量子力学允许在一段时间内出现这种破坏力，而且粒子质量越大，破坏时间越短。这些粒子与反粒子对被称为“虚粒子对”，因为它们不能被探测到，否则，这个能量的破坏力会十分明显。这意味着，量子真空中可能潜在饱含所有粒子，也就是说，饱含宇宙中所有的潜在能量。正是这个潜能，把能量赋予了真空。 如何描述量子真空呢？我脑海中浮现的第一个图景是日本禅意庭院：园丁用钉耙铺设出白色砂砾图案，形成有节奏的花园背景；在此背景上，再加上几组山石或小灌木的装饰。量子真空跟这个白砂背景一样，没有特别的限定，但这是宇宙构建的基础——宇宙如同庭院一样，虽然被墙围出了边界，但树上的花或叶丛越过了墙，让庭院与外界依然保持着持久的对话。 这些古老而精致的庭院，如京都的龙安寺庭院（图VI.2），都加入了时间的维度。在某种意义上，比花园高出几个台阶的木质平台A就代表了时间：来此观赏花园的一代代游客留下了他们的思考、梦想和经历。庭院饱含着所有这些虚幻的故事、所有潜在的可能。在几个世纪内，庭院已经远远超出了铺设精美的砂砾与山石。如同量子真空一般…… 我脑海中的第二个图景在西班牙巴斯克地区的安多艾恩市，一座采石场里的一场音乐会。作曲家卡格尔·艾达创作的电声音乐作品名为“真空波动”。音乐充满了空旷的采石场，再现了虚幻的山峰——随着不断开采，山峰随着一块接一块被搬走的石头而消失。每块离去的石头被声音的波动所重现。 第三个图景在我们的实验室里：阿提拉·彻尔格的作品“化圆为方”（Squaring the Circle）藏在黑色屏幕里（图VI.3）；四叶草状的镜子反射出光芒，投射出圆形碟片的方形阴影。圆圈是宇宙本身，而这个作品反映出，圆圈本身有着变成方形的潜在可能——圆圈如同虚拟的方形。在这个作品中，量子真空是什么？在我看来，是光。因为在这里，光是展示变化潜能的介质。
如何描述量子真空呢？玛丽－欧迪尔·蒙西古尔曾在“起源实验室”（Labos Origins）提出这个问题。“起源实验室”是科学家与艺术家的交流平台，大家在此共同讨论“起源”问题。我们曾举办过一场主题为“量子真空”的表演。“空”同样具有起源的意义。在中国的哲学思想中，“空”甚至是起源的至高状态。我不得不承认，在展示表演中，无论是描述量子真空特征，还是从预设图景中呈现真空样貌，我们这些物理学家都显得十分笨拙。然而，艺术家的表演更加清晰：舞台上出现了一个完全不对称的金属结构——我们物理学家有讲过真空结构吗？杂技演员在这个真空结构上舒展身体，通过身体的运动展现引力的束缚——我们物理学家有强调过真空对引力的关键作用吗？我觉得没有吧…… 艺术反而更善于展现出激动人心的科学缩影。我们这些科学家难以看到的某种联系，在情感的直觉和身体的感悟中自然地呈现出来。真空作为一种能量形式，确实与引力有着联系。几年前，我写过一篇文章，名为《不能承受的真空之轻》（L’insoutenable légèreté du vide）。最令人惊讶的事实是，真空比它表现出来的还要轻。这就是让物理学家忧心不已的真空能量问题。理解引力，理解引力融合量子世界定律的方式，能让我们找到答案吗？艺术家们也许也应该来关心一下这个问题？ 本文节选编辑自《追踪引力波：寻找时空的涟漪》（人民邮电出版社，2017.3），经出版社授权刊登。
来源：《追踪引力波：寻找时空的涟漪》 |
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