量子泡沫

量子泡沫

量子泡沫是极小尺度（普朗克长度量级）下量子振荡的定性描述。在这么小的时空尺度下，不确定关系使粒子和能量瞬间产生，然后消失。

随着讨论时空尺度的缩小，虚粒子能量将增加。量子泡沫是由真空涨落引起的，同不确定性，只有在微观尺度上才能显现出这种特征。足够小尺度下能量的“泡沫”式涨落将大到足以在较大尺度下观测到相对平滑时空的显著偏离。但我们必须有一个量子引力理论才能指出在什么样的尺寸下才能出现这样的量子泡沫，现有的各种量子理论不能精确地描述这么小尺度下的物理。

量子泡沫

在相对论无法奏效的时候，量子理论就会出现。惠勒本人是从量子理论进入广义相对论的，使用量子理论更加得心应手。在讨论真子时，他就想到，如果考虑到量子效应，则会有很小的真子。同样，他相信，量子力学可能支持虫洞的存在。

1928年，狄拉克提出的相对论性电子运动方程预言了正电子及反粒子的存在，这导致真空的意义发生了变化。真空不再是虚无的空间，而是负能态恰好被填满的状态，或者说，是正反粒子恰好平衡的状态。真空既然并非空无一物，必然不是稳定的。只要外界存在微扰，就会产生涨落。涨落一旦产生，就会继续涨落。真空的涨落表现为正反粒子不断产生和湮灭。根据测不准关系，区域越小，涨落越大。时间和能量是一对满足测不准关系的共轭量，因而能量守恒定律会在短时间中被违背。时间越短，偏离守恒的能量越大，就会产生质量更大的正反粒子；这些正反粒子的寿命也就越短。

所以，一个平静于虚空中的电子根本不是平静的。如果使用一个很高很高能量的假想的显微镜放大它，就会看到这个电子的周围环绕着很多很多活跃的邻居。其余的电子和正电子正在肇生和湮灭。光子正在诞生和死亡。重粒子也加入这个不停的创生与湮灭之舞。我们离它越近，这些活动就越激烈。这个“孤立的”电子是沸腾的火山中的结点（nub）。就在这整个宇宙的小小微宇宙中，在粒子范围能够发生的一切事情都在发生着。

然后，当我们退回到大尺度空间，用低能量的显微镜来观察，一切变得简单而有秩序。远远地看，那儿有一个孤单的电子，具有一个单位的负电荷，有特定的质量和自旋，看起来处身于伟大的孤独之中。然而，如果我测量它的磁矩（由于其自旋电荷产生的磁场强度），我们发现，这不是由原始狄拉克孤立电子理论所预言的那个值，而是那个值的1.001159652倍。蜂拥而来的虚幻粒子成了电子的随员，尽管看不见，但是我们知道它们在那儿。甚至在远离电子的地方，也在电子的磁场上留下了不容否认的痕迹，使它高出了千分之一。

这种建立在粒子描述上的可视模型当然只存在于符号之中，事实上，我们永远也不可能对这样的尺度有真正的视觉经验。这个描述给出了我们想象极微观世界的一种方式。这个想象我们可以在另一种场景找到对应。当我们在飞机上俯瞰大海，海面看起来平坦如镜。随着高度的降低，如镜的海面逐渐有了细节，有了涟漪。再向下，会出现波浪。等到临近水面时，又会出现急流、旋涡、水的泡沫。从不同的尺度观察，就会有不同的景象。当我们深入实在的深处，发现实在呈现出远距离观测所无法想象的情景。但是，这种完全由理论所推断的结果是否真的是实在本身？当我们这样问的时候，仍然假设了一种预先存在的感知实在或者本体实在。

惠勒在深入广义相对论之初，就在考虑广义相对论与量子理论之间的联系。“如果量子理论控制电场、磁场和中微子场，难道它不应该同时也控制引力场，即空时自身吗？”惠勒发现，在考虑了量子现象之后，空间和时间都在小区域内变得紊乱不定。

甚至紊乱还不足以形容。空时在足够小的区域中应该不仅仅是“崎岖坎坷”，不仅仅是曲率飘忽游荡；它应该碎化成动荡不停的多连通几何。在非常小的区域非常短的瞬间，虫洞应该是这个场景中非常多的一个成分，就像使电子能量和磁场发生微小偏移的跳动的虚拟粒子一样多。

让我们再次拿起假想的显微镜，透视到某些物质粒子附近，比如质子，盯住空时自身，我们会看到什么？当我们注视一个极微小的空间，10米，在单个质子尺度内；一个极微小的瞬间，10秒，光不足以从质子的一边跑到另一边，我们看到了预期的凝固的粒子之舞，量子涨落赋予极微小世界以如此丰富的生命活力。但是，作用于时间和空间的这种效应我们却什么也看不到。在稍大一点的尺度，时空如玻璃一样平滑。

沿着这种思想继续下去，惠勒深入到更微小的尺度，深入到普朗克长度的量级。

所谓普朗克长度是普朗克用一些基本物理常数，包括引力常数G、电磁理论中的光速c、还有以他自己的名字命名的量子常数h凑出来的一个具有长度量纲的量。“他不知道这个长度代表什么，但是他相信这是一个‘自然的’长度，比任何建立在我们日常世界中所见的客体的长度（比如，米最初的定义是从赤道到极点距离的一千万分之一）更有意义。”

这个常数的意义在惠勒与Misner的讨论中浮现出来，他们认为：“正是这个‘普朗克长度’设定了空时的量子起伏的尺度。”

普朗克长度小得令人不可思议：想象一串小球，每一个小球的直径都是普朗克长度。如果让这样一串小球连起来横跨质子的直径，球的数目就会和连起来横跨新泽西的质子数目一样多。把100,000个质子排列起来，是一个原子的尺度；把一百万个原子排列起来，可以从这个句子末端那个句号的一端到另一端。不需要告诉你要用多少个句号横跨新泽西。相对于普朗克长度来说，甚至我们称之为基本粒子的那样微小的实体，都是一片广袤巨大的不动产。把这个比方从距离转到钱上，一便士之于美国年度财政预算是一个普朗克长度之于质子线度的一百万倍。

对应于“普朗克长度”，还有一个“普朗克时间”。这是光走过普朗克长度所需要的时间。“如果钟表在每一个普朗克时间单位咔哒一声，一秒钟咔哒的数目比我们手表中的石英晶体在宇宙寿命期间振动的数目还要多几十亿倍。普朗克时间短得无法看到——但是并没有短得无法思考！如果在普朗克长度内发生某些有趣的事情，就会在普朗克时间内发生。”

让我们的想象力向下旅行进入一个前所未小的区域，在抵达单个质子的尺度后，我们还要走10的二十次幂才能到达普朗克长度。只有在那时，原子和粒子世界光滑如镜的空时才会让位给离奇的空时几何的沸腾的混沌。虫洞无非是这种畸变的一个简单表现。这种起伏是如此巨大，以至于无法就字面的意义谈左和右，前和后。长度的通常意义消失了，时间的通常意义也挥发了。对于这种状态，找不出比量子泡沫更好的词来命名它。

量子泡沫被认为是由非常高能量的虚粒子产生的。虚粒子概念出现于量子场论中，当粒子发生相互作用时，虚粒子短暂地产生并湮灭；尽管虚粒子从未被实际观测到，但根据虚粒子概念预言的效应被实际观测到了。虚粒子可被认为在真空中短暂地产生并湮灭，这种真空涨落会影响真空的性质，导致非零能量即真空能的存在；按量子力学概念，这是一种零点能。

普朗克长度是目前物理学所能描述的最小尺度。在这个尺度以下，物理学给不出任何有意义的结论。因而，普朗克长度也就是符号实在的最小尺度。如果从还原论的角度看，量子泡沫应该是实在的最小基元，但却很难想象这个基元能够支撑起经典实在。

在量子泡沫中，时间和空间都失去意义，因果规律不再有意义，物理学定律也不再有意义。[1]