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作者：皮埃爾·比奈托利（Pierre Binétruy） 翻譯：葉欣欣 無(wú)窮烏有。 ——帕斯卡，《沉思錄》，1670年
道生一，一生二，二生三，三生萬(wàn)物。 萬(wàn)物負(fù)陰而抱陽(yáng)，沖氣以為和。 ——老子，《道德經(jīng)》 在日常用語(yǔ)中，“真空”就是去除一切后剩下的東西。如果不把它當(dāng)成一個(gè)時(shí)空框架，重新引 入一些粒子、原子、分子的話,真空貌似價(jià)值不大......在量子力學(xué)領(lǐng)域，我們可以生成真空嗎？從嚴(yán)格意義上講是不可以的，因?yàn)榭倳?huì)有一些虛粒子出現(xiàn)或消失，無(wú)法從這些微觀波動(dòng)中區(qū)分出真空。所以，人們傾向于用基本狀態(tài)——最小能量狀態(tài)來(lái)代替真空概念。傳統(tǒng)真空中的零能量，加上微小但數(shù)量眾多的波動(dòng)能量，這些波動(dòng)從統(tǒng)計(jì)意義上也貢獻(xiàn)了能量，這就是“最小能量狀態(tài)”。這聽上去有點(diǎn)復(fù)雜了，但物理學(xué)家通常會(huì)把這個(gè)概念加上，并把這個(gè)基本狀態(tài)稱為“量子真空”。問題的根源來(lái)了：這不過是一個(gè)語(yǔ)言表達(dá)上的混淆，量子真空其實(shí)不是真空，有時(shí)候連物理學(xué)家也被他們自己制造的文字游戲騙倒了。每次看到“量子真空”這個(gè)詞,大家要記得，這就是基本狀態(tài)。 為了讓大家更好地理解這個(gè)概念，我舉一個(gè)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(chǎng)景后，錄音師要求整個(gè)拍攝團(tuán)隊(duì)保持沉默，然后記錄靜音；事后，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(chǎng)演員、當(dāng)日的天氣都是有特點(diǎn)的。雖然沒有聲音，卻充滿了聲音的起伏波動(dòng)。量子真空也是一樣，它就是錄音師重建聲音時(shí)所用的背景。 ............... 量子真空的概念理解起來(lái)有點(diǎn)困難，因?yàn)樗婕傲藷o(wú)窮小——在無(wú)窮小中，各種量子力學(xué)定律是有效的；也涉及了無(wú)窮大，即整個(gè)宇宙。物理學(xué)家有哪些構(gòu)想？如何描述量子真空？藝術(shù)家有時(shí)會(huì)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(shù)既是描述，也是詮釋。 對(duì)于西方讀者來(lái)說(shuō)，“真空”一詞給概念理解造成了困難：既然真空是清除一切之后剩余的東西，物理學(xué)家又如何在其中看到了結(jié)構(gòu)、對(duì)稱、漲落、能量……甚至還能讓一個(gè)真空向另一個(gè)真空演變？正因如此，量子物理學(xué)家更傾向于使用“基本狀態(tài)”的概念：在一個(gè)最小的能量狀態(tài)之上建立起一整套狀態(tài)，以此描述整個(gè)量子體系；這個(gè)最小的能量狀態(tài)被稱為“基本狀態(tài)”。一個(gè)粒子狀態(tài)建立在基本狀態(tài)之上，粒子的能量相當(dāng)于基本狀態(tài)的能量再加上粒子的質(zhì)量能量（mc2）；以此類推，接下來(lái)是兩個(gè)粒子狀態(tài)、三個(gè)粒子狀態(tài)……最終在基本狀態(tài)之上建立起一個(gè)“狀態(tài)塔”（圖VI.1）。 既然如此，那為什么還要保留“量子真空”這個(gè)術(shù)語(yǔ)呢？“空”的概念在東方文化里有著豐富的含義。尤其在中國(guó)文化中，“空”（也稱“虛”）的概念更完善，而且非常接近物理學(xué)家對(duì)真空的理解。程抱一在《虛與實(shí)，中國(guó)繪畫語(yǔ)言研究》（Vide et plein, le langage pictural chinois）一書中曾說(shuō)過：“在中國(guó)人的概念中，‘虛’并不像西方人設(shè)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?！摗c‘氣’和‘陰陽(yáng)更替’的原理相聯(lián)，為萬(wàn)物變化提供了絕佳的場(chǎng)所。在‘虛’之中，‘實(shí)’才能真正達(dá)到豐滿。”我在書中著重標(biāo)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(shí)”的概念之間有著豐富的交集。同樣，在物理學(xué)中，“實(shí)”是建立在“空”的基礎(chǔ)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(gòu)造之間，有著極其驚人的相似之處。
當(dāng)物理學(xué)家談及量子真空的時(shí)候，浮現(xiàn)在他們腦海里的另一個(gè)形象是量子漲落的匯集。一些粒子與反粒子組從真空中產(chǎn)生，然后進(jìn)行復(fù)合，重新變?yōu)檎婵?。這會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)于2倍mc2能量的破壞力（粒子與反粒子有相同的質(zhì)量m）。但是，量子力學(xué)允許在一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)這種破壞力，而且粒子質(zhì)量越大，破壞時(shí)間越短。這些粒子與反粒子對(duì)被稱為“虛粒子對(duì)”，因?yàn)樗鼈儾荒鼙惶綔y(cè)到，否則，這個(gè)能量的破壞力會(huì)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(shuō)，飽含宇宙中所有的潛在能量。正是這個(gè)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(xiàn)的第一個(gè)圖景是日本禪意庭院：園丁用釘耙鋪設(shè)出白色砂礫圖案，形成有節(jié)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(gè)白砂背景一樣，沒有特別的限定，但這是宇宙構(gòu)建的基礎(chǔ)——宇宙如同庭院一樣，雖然被墻圍出了邊界，但樹上的花或葉叢越過了墻，讓庭院與外界依然保持著持久的對(duì)話。 這些古老而精致的庭院，如京都的龍安寺庭院（圖VI.2），都加入了時(shí)間的維度。在某種意義上，比花園高出幾個(gè)臺(tái)階的木質(zhì)平臺(tái)A就代表了時(shí)間：來(lái)此觀賞花園的一代代游客留下了他們的思考、夢(mèng)想和經(jīng)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(gè)世紀(jì)內(nèi)，庭院已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了鋪設(shè)精美的砂礫與山石。如同量子真空一般…… 我腦海中的第二個(gè)圖景在西班牙巴斯克地區(qū)的安多艾恩市，一座采石場(chǎng)里的一場(chǎng)音樂會(huì)。作曲家卡格爾·艾達(dá)創(chuàng)作的電聲音樂作品名為“真空波動(dòng)”。音樂充滿了空曠的采石場(chǎng)，再現(xiàn)了虛幻的山峰——隨著不斷開采，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(dòng)所重現(xiàn)。 第三個(gè)圖景在我們的實(shí)驗(yàn)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(gè)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(gè)作品中，量子真空是什么？在我看來(lái)，是光。因?yàn)樵谶@里，光是展示變化潛能的介質(zhì)。
如何描述量子真空呢？瑪麗－歐迪爾·蒙西古爾曾在“起源實(shí)驗(yàn)室”（Labos Origins）提出這個(gè)問題。“起源實(shí)驗(yàn)室”是科學(xué)家與藝術(shù)家的交流平臺(tái)，大家在此共同討論“起源”問題。我們?cè)e辦過一場(chǎng)主題為“量子真空”的表演?！翱铡蓖瑯泳哂衅鹪吹囊饬x。在中國(guó)的哲學(xué)思想中，“空”甚至是起源的至高狀態(tài)。我不得不承認(rèn)，在展示表演中，無(wú)論是描述量子真空特征，還是從預(yù)設(shè)圖景中呈現(xiàn)真空樣貌，我們這些物理學(xué)家都顯得十分笨拙。然而，藝術(shù)家的表演更加清晰：舞臺(tái)上出現(xiàn)了一個(gè)完全不對(duì)稱的金屬結(jié)構(gòu)——我們物理學(xué)家有講過真空結(jié)構(gòu)嗎？雜技演員在這個(gè)真空結(jié)構(gòu)上舒展身體，通過身體的運(yùn)動(dòng)展現(xiàn)引力的束縛——我們物理學(xué)家有強(qiáng)調(diào)過真空對(duì)引力的關(guān)鍵作用嗎？我覺得沒有吧…… 藝術(shù)反而更善于展現(xiàn)出激動(dòng)人心的科學(xué)縮影。我們這些科學(xué)家難以看到的某種聯(lián)系，在情感的直覺和身體的感悟中自然地呈現(xiàn)出來(lái)。真空作為一種能量形式，確實(shí)與引力有著聯(lián)系。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(shí)是，真空比它表現(xiàn)出來(lái)的還要輕。這就是讓物理學(xué)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(shù)家們也許也應(yīng)該來(lái)關(guān)心一下這個(gè)問題？ 本文節(jié)選編輯自《追蹤引力波：尋找時(shí)空的漣漪》（人民郵電出版社，2017.3），經(jīng)出版社授權(quán)刊登。
來(lái)源：《追蹤引力波：尋找時(shí)空的漣漪》 |
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