Page 220 - 物质的绝对运动——相对论和量子力学的物理起源

为解释大爆炸宇宙模型和夸克禁闭现象，物理学家们还提出了真空相变的概念，使量子
真空的复杂性状进一步展现出来。正如水有固体、液体、气体等多个相，通过温度变化可以
发生相变。可以想象，夸克被禁闭在原子核内是由于较低能量下，真空处在凝聚相，当原子
核以极高速对撞时，相当于处在极高能，这时真空可能发生相变，形成夸克—胶子等离子体
的新的相。目前，实验物理学家们正在展开相关工作，以观察这种真空相变过程（如美国布
鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机）。一般认为，量子真空的性状决定了量子场和
粒子世界的性状和面貌，同时还决定了宇宙演化模式的具体细节。例如，暴涨系着于真空背
景的相变和振荡，暴涨之后尚有一定的真空涨落保留下来，成为以后实物粒子结团而成为星
系的起源。另外，暴涨起因于真空能量的驱动，而导致宇宙加速膨胀的暗能量也由真空背景
所提供，因此有人认为，解开暗能量之谜，须待到真空的复杂结构被揭开之后方可明了。
二、真空的物质性和对称性
现代真空观念的要点是“真空不空”，它是由某种或某些物质构成的“基质”，是衬托和
影响宇宙万物运动变化的物质背景。现在，关于真空的物质性已经没有异议，但是，关于真
空的具体物质构成则依然悬而未决。
狄拉克认为真空是充满了负能态粒子的量子场，并把真空归结为量子场能量的最低状态。
他在 1972 年一次国际理论物理会议上所作的《物理学家自然概念的发展》的报告中回顾了
他的这一发现之后说：“物理学家早先认为真空什么也没有的区域，然而这是我们必须克服
的一个成见。更好的真空定义应该是能量最低状态。这样一来，具有负能量的电子如果可能
的话，那么真空就要求尽可能多的负能态电子。”狄拉克不仅认为真空中充满负能态电子，
还大胆地设想充满着其它负能态粒子。他曾预言：“可以假定，质子也会有它自己的负能
态。……其中未占满的状态表现为一个反质子。”由此可见，“狄拉克真空”是由各种不可察
的负能态粒子构成的。
然而，电子（粒子）拥有负能量是令人费解的。如果将电子能量视为连续变化的量，那
么电子能量将不断减少至零为止，这时负能量是不可能的。狄拉克把量子力学与狭义相对论
相结合，便出现了不可舍去的负能量。根据相对论力学中的能量-动量关系式可得电子的能
量为

2
E   p 2 c  m e 2 c 4 （11.1）
对于正、负能根，狄拉克方程便相应地出现正、负能态的波函数解。狄拉克的解释是：正能
2
2
态电子（mec ）能够发生跃迁，从而越过“零能量”态，一下子跃迁到负能态（-mec ），跃
2
迁放出的光子的能量，等于两个能态之间的能量差（2mec ）。相反的过程则是：一个负能态
2
2
2
电子（-mec ）吸收足够的能量（2mec ）后跃迁为正能态电子（mec ），同时留下一个空穴即
正电子。在无限多负能级上占满了负能态粒子，由此形成一片深不见底的负能态“粒子海”，
这就是真空。因此，“狄拉克真空”具有无穷大的负能量（它的负能量没有下确界）。
除了狄拉克真空模型之外，量子场论的真空充满了虚光子和各种正反粒子对，量子规范
场论的真空充满了希格斯场和希格斯玻色子，广义相对论的真空是引力场、引力波和引力子。
根据这些真空模型有人猜测，物质世界可能是由负能态真空和正能量物质粒子构成的，二者
的能量之和很可能为零，而宇宙或许正是从能量为零的原始状态极化而产生的。就像普利高
津在《确定性的终结——时间、混沌与自然法则》一书中所说：“宇宙的总能量可能是零，
因为它等于空无一物宇宙的能量。因此，大爆炸可能与保持能量守恒的真空中的涨落有关。
这是一个非常诱人的思想。”而且值得注意的是， 这一思想与中国古代自然观有共通之处。
老子认为，“天下万物生于有，有生于无。”“无名天地之始。有名万物之母。此两者同出而
异名，同谓之玄。”老子所说的“无”似乎可以理解为能量密度为零的真空，“有”则可理解
为正能量的物质粒子。

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