“无”的真空及其应用

陈壮叔

在1998年，天文学家发现宇宙在加速膨胀。那么，究竟是什么东西在推动宇宙膨胀呢？目前较为一致的看法是所谓的暗能量，也即真空空间本身具有的一种潜在的能量。自此后，科学界深入到早先哲学家谈论的话题，即宇宙的“有”与“无”。而今，物理学家认为真空空间并非绝对的“无”。

早在20世纪20年代，量子论把真空视为某种东西沸腾的海洋。德国物理学家w，海森堡提出了著名的测不准原理。他说，几对密切相关的可测物理量，它们之间的关系却是你越多地知道其中的一个，就越少地知道另一个。

能量和时间就是这样的一对。这意味着你无法精确地测定一个物理系统的能量，除非时间是完全不精确的。那就是说，你用无限的时间去做测量，结果是永远也不能精确测出真空零能量的“无”。据量子论，即使是一个完整的真空也充满着不停波动的类波的场，涌现出众多的短命粒子。它们不知在何处出现，继而又消失，给真空一个明确的非零“零点能”。

这一量子论的真空说明，对“无”的特性给出了新的动力。现在科学界认为，新型的鲜活真空具有实际效应。仔细地观测原子运动，你可以看到一种被称为兰姆位移的微小效应。在这一过程中，真空波动挤压了一个轨道上的电子，微妙地改变了它的能量，使其自发地在原子的两个能级间跳动，并放射出光子。

在这些真空效应中，要数H.开歇米尔的思想最为抢眼。1948年，他跟同事彼得一起研究。彼得是丹麦的物理学家，他了解胶质如何处于稳态平衡。胶质是一种混合物，在胶黏过程中，它的一种物质进入另一物质，这种介质中分子间的力会很快地散去，速度比经典电磁力学所计算出来的更快，似乎有某种东西把组成分子拉得更紧。

开歇米尔计算指出，上述的“某种东西”可能是真空的行为。要在复杂的胶质分子中得出真空效应是不可能的，因此开歇米尔提出一个简单的模型系统，仅由两块平行的金属板组成。它显示出，可能产生的真空波动正好加大了两板间的引力。他解释道，两板间的空隙限制了真空波动的波长，即在空隙之外真空波动可选择任何波长。因此，外面有更多的波，它们势必也加在两极之上。

这个效应是十分微弱的，两块相隔10纳米的板受到的压力相当于我们头上空气的压力。如此微弱的一个贡献，易被众多其他的效应所掩盖，诸如两板表面电荷间残存的静电引力。

因此，要相信真空效应的存在是很困难的。耶鲁大学的实验专家洪顿说：“你必须知道，你正在测量的是开歇米尔力。”言外之意是，你无法肯定它来自真空。再说，要把两板排成完整的平行也并非易事，而要计算预期的其他效应，将会碰到极为复杂的数学问题。

直到1996年，物理学家s，莱莫瑞克斯有了突破。他极为仔细地排除了所有其他效应后，发现有一个极小的残余力，把一块金属板和一个球形镜拉在一起。看来开歇米尔效应并非是理论家的一个白日梦。

1955年，苏联物理学家E.立夫歇兹预言，真空波动的尺度将提高周围的温度，而产生一个能覆盖较长距离的强烈的力。在2011年2月，莱莫瑞克斯及其同事研究后说，这是一个确实的情况。

2011年，瑞典物理学家C.威尔逊及其研究小组，提供了一个特别奇怪的现象。他们宣称，通过压缩虚无空间就能产生出光。这是对开歇米尔效应的一个新拓展。该观点认为，一个完整的真空（在物理世界中被定义为“无”）包含着潜在的能量，它能用来使物体运动，甚至创造物质。

威尔逊说，他们把开歇米尔效应转了向，即不是利用真空暴出粒子去改变环境，而是使真空的四周快速运动，从而产生光子。自开歇米尔效应被提出以来，这个观点一直处于矛盾之中，而今，真空能量的观点有了一个公论的证据。

随着有关这种效应证据的增多，出现了一种想法，即利用真空能来驾驭我们的装置。目前最为人熟知的建议，便是用它来为nano机器加力。这与原先的开歇米尔效应稍有不同，后者的吸引效应是把物体拉拢，而今则反其道而行之。

专家们通过改变结构的几何形状或材料的特性，从而限制真空波动，使开歇米尔效应的方向反转，造成一个外向压力，使两物体相互推开。2008年，麻省理工学院的S.强生及其同事通过计算得出，在两块金属板间衬以一系列的简单装置，在理论上，即可在该两板间得到斥力。最近，据哥伦比亚大学的麦斯劳夫斯基等人的研究，一种类似的效应可在nano金属杆上产生斥力区域，抬升nano金属棒。

这种力有助于nano部件（诸如钥匙、齿轮、轴或其他传动部件）运动而无干扰，但要把这类装置投入使用还要待以时日。首先，这些部件必须在原子尺度上进行抛光，因金属表面不像我们想象中那样光滑，而是含有类晶体结构，这会限制真空波动，影响开歇米尔力的尺度。为了推动这些部件，过程极为复杂。

但随着技术的进步，这些复杂性是可以克服的。2009年，哈佛大学的F.凯伯斯小组测量了开歇米尔斥力。他们制作了一个简单而精细的装置：在一块硅表面上放上溴化苯液体，并在液体中安上一根黄金悬臂，最终在悬臂上测得仅为几十微微牛的力。但当你打算移动nano粒子时，还有不少障碍必须排除。因此，开歇米尔装置进人我们的生活并非易事。强生说：“这是一个技术问题，我们能制造出如此微波和灵敏的东西吗？这同时也是一个理论问题，一旦我们在技术上能付诸实施，人们是否对这类nano装置感兴趣呢？”

另一方面，在开歇米尔的计算中，他们把真空波动解释为弱化的某种力。若如此，那么多种同样的弱化力都可以简单地获得，只要在有限的时间内把力传送到足够长的距离上，诸如两板相隔的几十或几百纳米。在20世纪70年代，诺贝尔奖得主、物理学家J.斯克温格尔通过计算对这种观点曾予以肯定，但他从不相信真空波动能发展成一种量子场论。在斯克温格尔看来，开歇米尔效应正好能视为“带电物质的量子相互作用，而不是真空的行为”。

麻省理工学院的物理学家R.贾非说，真空阐释之所以如此风行，唯一的原因是其数学大为简化。他说：“这是一种轻率的态度，人们把开歇米尔效应视为真空波动的证据，但没有证据证明，真空波动出现于没有物质的地方。”类似的，其他效应，诸如兰姆位移和原子的自发放射光子，都可以描述为电荷相互作用的纯结果。

若如此，其影响将比我们做好nano机器大得多。在过去20年，科学界认识到宇宙在加速膨胀，这种现象被归于一种神秘暗能量的作用，它为真空能点燃了新的希望。现在，我们对这个暗藏着的真空能的最佳计算结果，比宇宙膨胀加速所需能量大120个数量级！这已说不上误差了，而是完全不相匹配，这很可能说明我们对暗能量的本质知之甚少。而同时。人们对开歇米尔效应的观测却十分热切，并认为这种效应似乎是一种决定我们宇宙命运的能量。

按斯克温格尔的看法，我们不可能相信真空能可以确实存在，因为任何企图证实它存在的做法，都会把某种物质形式引入方程。正如科学哲学家S.劳夫和H.菲克曼格尔于2001年所说的那样：“看来不可能做出决定，这种效应是否出自真空本身……或者，都是测量过程中被引入的。”

威尔逊认为，若从他的装置中出现的光子也为其他研究者所证实，就足以说明真空波动的确实存在。同样的，随着我们有能力制造精致的nano机器，在未来岁月中测试开歇米尔效应的机会也会因此增加。

虚无的本质究竟是什么？“无”真的能出自虚无吗？我们可能还是有必要再多问几遍！