“无”中生“有”的物理学

科学世界 · 公众号 · 科学 · 2019-12-17 17:53

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现代物理学认为，即使在不存在物质的空间里，也有着某种“存在”。那么，这种“存在”究竟是什么呢？

真空不“空”

“真空”，字面上的意思似乎是空空如也。然而在物理学中，这个看似空无一物的概念却有着异常丰富和令人着迷的内容。

19世纪，物理学家比较流行的看法是“真空中充满着以太”。直观看来，波动是需要某种媒介的。既然电磁波能够在整个空间传播，那么宇宙空间就应该弥漫着一种特殊的媒介，即以太。

亚里士多德认为，世间万物由火、水、土、气4种元素构成，且宇宙中充满第5种元素——以太。

然而，著名的迈克耳孙-莫雷实验否定了这种以太的存在。 1905年，爱因斯坦提出了狭义相对论，摒弃了以太的概念：电磁场本身就是一种物质，电磁波是它的运动形式，不需要依赖以太这种媒介就可以在空间中传播。

第一次量子革命诞生了量子力学，给人们打开了微观世界的大门，也赋予了真空更加丰富的物理内容。

20世纪20年代，狄拉克提出“真空是电子海”。他认为，真空可以看成是填满了所有负能量状态的电子形成的大海，而我们通常看到的带有正能量的电子，则在这个海面上运动。

50年代，费曼等人提出了“真空涨落”的概念。他们认为，真空中存在着大量的虚光子和正负电子对。电子在这样一个真空背景中运动，就好像包裹了一件由各种真空涨落形成的衣服。

图像是粒子与反粒子因“涨落”而不断产生与消失的示意图。山峰表示高能状态，成对生成粒子与反粒子。新生成的粒子与反粒子相撞后瞬间消失。从微观尺度来看，不存在任何物质的真空也是一个沸腾的世界。

60年代，包括温伯格在内的多位诺贝尔奖得主提出了“真空自发对称破缺”的概念。他们认为，系统的运动具有某种对称性，但是系统的基态或真空态却不具有这种对称性。宇宙中充满着希格斯场，它的自发对称破缺赋予了万物的质量。质量的起源是物理学中最根本的问题之一，而真空在这里起到了核心作用。

到了70年代，几位著名物理学家提出了“真空凝聚和真空相变”的概念。正如水有固、液、气等好几种相，通过温度变化可以发生相变。他们认为，在较低能量下，真空处于凝聚相；而在极高的能量时，真空可以发生相变，产生全新的物态。

20世纪90年代以来，量子信息的研究掀起了第二次量子革命。量子信息的基本单元是量子比特，量子比特可以处在两个基本态的任意叠加态。多个量子比特能够形成被爱因斯坦称为“鬼魅般超距作用”的量子纠缠。处在纠缠态的粒子即使空间上分隔遥远，却存在着量子关联，称为量子非局域性。量子信息视角下真空概念的研究，为回答基本物理问题提供了崭新的契机。

惠勒曾经提出一个令人深思的论断：“万物源于比特”（It from bit）。这种观点认为信息是非常基本的，宇宙万物（包括任何粒子和场，甚至时空）都起源于信息的基本单元—比特。量子信息的研究兴起以后，这一论断升华为“万物源于量子比特”（It from qubit）。这是一种全新形式的以太论—量子以太，众多学者深入研究了这一饶有趣味且非常重要的概念。

包括笔者在内的一些学者提出“只考虑量子比特（即二值理论）来构建万物理论是不够用的。”我们从实验中发现，量子力学中有强于二值关联的存在，或者说多值问题是不能通过拆解成二值来实现的。这触及了一个至关重要的问题—必须以多值关联的量子纠缠为基础构建万物的理论。

还有一些学者提出“时空结构起源于量子纠缠”。一方面，物理学家使用纠缠熵来表示量子纠缠的大小，很多量子体系的纠缠熵正比于其边界的大小。另一方面，引力也有类似的性质，例如黑洞的熵与包围该区域的表面积成正比。有意思的是，纠缠熵所遵循的这一面积定律与黑洞的熵有着深刻的联系。这启发人们将理解时空本质的希望寄托到它与量子信息的联系上。

这些学者进一步猜想，存在连接两个不同时空区域的通道，即虫洞。量子纠缠创造了虫洞，而虫洞连接着两个相距遥远的处于纠缠态的粒子。于是，时空结构起源于量子纠缠, 而量子纠缠的变化进而改变了时空结构，从而产生出引力。从量子信息的视角审视真空，有可能加深关于时空和宇宙本源的理解。

而包括文小刚在内的一些物理学家则提出“真空是量子比特海”。如果把这些量子比特类比于一个个水分子，那么量子比特的长程纠缠就像是水分子组成一条条弦。这些弦填充在整个空间中，称为弦网液体。这种量子以太可以涌现出各种基本粒子和各种基本相互作用，成为万物的起源！

由此可见，以太的概念又一次出现在物理学中，与空间、物质、能量等最基本的问题紧密联系在一起。尽管经典以太的概念被摒弃，但量子以太与量子真空的概念却在现代物理学中占有极其重要甚至是根本性的地位。从量子信息视角对于真空本质的进一步研究，或将为物理学带来革新性的发展。也许，“无中生有”是对它最好的诠释。

作者简介

郭光灿，物理学家，中国量子光学与量子信息的开创者和奠基人。中国科学院院士，中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室主任。曾任中国光学学会理事长和中国密码学会量子密码专业委员会主任。

涂涛，中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室副教授，从事固态量子信息的理论研究，承担“量子调控”国家重点研究计划项目子课题，在国际主要学术期刊发表论文60余篇。

本文选自《科学世界》2019年12期，更多内容请详见当期特辑“无： 从真空到宇宙起源”。

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