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第2章 量子无限(第1页,共2页)

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你还记得看到外太空里的真空“实际上”是什么样的吗?那些在此之前看起来只是虚空的地方原来遍布着波动起伏的场。波动变成了从场的真空中冒出的粒子,无处不在。

在量子世界,某事只要可能发生,它就一定发生。因此,暂时忘记你的日常大小和引力,想象一下缩微版的自己沉浸在量子场的包围中,位于非常小的世界里,坐在小椅子上。你就像是裁判,像观看网球比赛似的观看两个电子互相作用,只是电子变成了网球选手,在它们中间飞舞的虚光子变成了球。

你的右边某处有一个电子,另一个在左边。它俩完全一样,带着相同的电荷。跟磁铁一样,它们应该互相排斥。这是一场有趣的比赛。现在电子们还离得很远,在诞生了它们的电磁场中前进。它们越来越接近,几乎就要撞到一起,还好没有。它们发生了相互作用。球赛开始。虚光子们从电磁场中冒出,让电子变道,把它们打碎。然后,就像开始时一样迅速,球赛结束了。电子与虚光子都不见了。

你等着下一场的开始。

又一对电子正在路上。

这次你决定要把注意力集中在虚光子身上,而不是电子。你那缩微版的双眼目不转睛。

电子们正在运动。它们越来越接近,然后……砰!虚光子出现了。为了不漏掉任何一个画面,你放慢了时间。

电子们正要变道。

虚光子也在那里。

但有些事情发生了。

在一个自发出现在两个电子网球选手中间的虚光子身上,发生了一些奇怪的变形。

它变成了粒子-反粒子对:一个电子和一个正电子。

你迅速瞥一眼电子们,好奇它们是不是受到它们间虚拟光珠消失的影响,但看上去它们毫不在意。你又去看刚被创造出来的那一对,然而……它们已经不再是一对,而是两个半。

你闭上自己的缩微版眼睛,揉了揉。

这是什么比赛啊?

你再次睁开双眼。

突然之间,两个电子之间出现了几千对粒子-反粒子对。

你眨了下眼。

现在变成了几亿对。

几万亿对。

你再眨了下眼……它们都消失了。

你看了下电子们。

它们已经破碎了,就像之前的网球选手一样。奇怪。

你刚刚见到的是统治微小世界的量子规则的后果之一:某事只要可能发生,它就一定发生。对于虚光子来说,它很可能从运动中的电子们那里借到能量,变成虚拟粒子-反粒子对,又会随之变成其他粒子-反粒子对,或者湮灭成光,再……

你自己想象吧。

哪怕就是两个微小的电子相互作用,在此过程中虚拟粒子对们出现的可能性也是无穷大。所以会有无穷大数量的虚拟粒子牵涉其中。

你依旧开心地坐在自己的缩微版裁判椅上,思考着,你等着下一场比赛,开始再次观察焰火,但是没有新的选手参赛了。没有电子朝你走来。但现在你已知道如何搜寻,你还是看得到虚拟粒子-反粒子对不时出现,只是出现得慢了一些。它们就像从空气中出现的网球和反网球,只是没有打网球的人。

这些粒子对的出现是来自真空的“量子涨落”。

它们一直都在,但只要存在它们能够借助的能量——例如运动中的电子们的动能——它们就更容易被激发。

一对电子-正电子对在你眼前出现,然后又湮灭成光子,然后它又自发变成另一对,这次是夸克-反夸克对,现在,一个反夸克发射出一个胶子,随之……

即便是在真空中,那些看起来没有任何东西的地方,要准确地描述我们的世界,我们仍需要考虑所有无穷多种粒子-反粒子对相互作用的可能性,任何地方,任何时间。

一团糟。

而且这种一团糟还带来相当灾难性的后果:这些可能性都很重要而且数目众多(事实上它们的数量是无穷大),其结果是宇宙中的任何一点都应该对应于无穷大的能量值,哪怕是在没有其他东西的真空中。很显然,实际情况不是这样的,不然我们的宇宙就会在任何地方开始塌缩,就在现在,因为这些无穷大的能量给时空带来的巨大引力效应。因此,这幅画中显然有些不对头的地方。

为了让这个讨厌的问题变得容易对付一点,量子场理论学家们想出来一个机智的办法:他们纯粹简单地决定忘掉引力,将它从游戏中整个驱离。既然这样,他们还顺便把无穷大也去掉了。他们关掉这个开关,只计算剩下的部分,连哄带骗地……居然成功了。

荷兰理论物理学家霍夫特(gerard'thooft)就是开创这种数学外科手术方法的几位极其聪明极其出色的物理学家之一,他因为这个贡献和他的博士生导师马丁努斯·韦尔特曼(martinusveltman)一起获得了一九九九年的诺贝尔物理学奖。因为他(和其他几个人)的贡献,虽然他们粗暴地用数学开关关掉了无穷大,但还是通过其精准的预言能力将量子场理论变成历史上最成功的科学理论。去除无穷大的结果导致了一些以前从未被见过的粒子被预言,而且是精确预言——对于它们的质量和电荷——精确到误差小于一千亿分之一。如果随便一个人能那么精确地猜测,他将成功地猜出送到各个酒吧的一百万品脱啤酒里是不是少掉了一滴。如果我们真的具备这种能力,估计酒吧里每天都会有暴动。

量子场理论所作出的预言都精确得让人吃惊。但这种“赖皮”手段给寻求解释的我们来说,所带来的伤害就算痛饮一百万杯啤酒都难以消解。

为什么这些无穷大会发生?

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