量子涨落是否违反能量守恒定律

“量子涨落：测不准原理允许的虚无空间状态的暂时性变化。量子测不准原理允许从完全全空无一物中间出现少许能量，前提是该能量在很短时间内重归消失（涨落涉及的能量越小，它持续的时间越长）” 动量p和位置q，它们真正地是“不共戴天”。只要一个量出现在宇宙中，另一个就神秘地 消失。要么，两个都以一种模糊不清的面目出现。海森堡很快又发现了另一对类似的仇敌 ，它们是能量E和时间t。只要能量E测量得越准确，时刻t就愈加模糊；反过来，时间t测 量得愈准确，能量E就开始大规模地起伏不定。而且，它们之间的关系遵守相同的不确定 性规则： △E×△t > h/2π 各位看官，我们的宇宙已经变得非常奇妙了。各种物理量都遵循着海森堡的这种不确定性 原理，此起彼伏，像神秘的大海中不断升起和破灭的泡沫。在古人看来，“空”就是空荡 荡无一物。不过后来人们知道了，看不见的空气中也有无数分子，“空”应该指抽空了空 气的真空。再后来，人们觉得各种场，从引力场到电磁场，也应该排除在“空”的概念之 外，它应该仅仅指空间本身而已。 但现在，这个概念又开始混乱了。首先爱因斯坦的相对论告诉我们空间本身也能扭曲变形 ，事实上引力只不过是它的弯曲而已。而海森堡的不确定性原理展现了更奇特的场景：我 们知道t测量得越准确，E就越不确定。所以在非常非常短的一刹那，也就是t非常确定的 一瞬间，即使真空中也会出现巨大的能量起伏。这种能量完全是靠着不确定性而凭空出现 的，它的确违反了能量守恒定律！但是这一刹那极短，在人们还没有来得及发现以前，它 又神秘消失，使得能量守恒定律在整体上得以维持。间隔越短，t就越确定，E就越不确定 ，可以凭空出现的能量也就越大。 所以，我们的真空其实无时无刻不在沸腾着，到处有神秘的能量产生并消失。爱因斯坦告 诉我们，能量和物质可以互相转换，所以在真空中，其实不停地有一些“幽灵”物质在出 没，只不过在我们没有抓住它们之前，它们就又消失在了另一世界。真空本身，就是提供 这种涨落的最好介质。 现在如果我们谈论“空”，应该明确地说：没有物质，没有能量，没有时间，也没有空间 。这才是什么都没有，它根本不能够想象（你能想象没有空间是什么样子吗？）。不过大 有人说，这也不算“空”，因为空间和时间本身似乎可以通过某种机制从一无所有中被创 造出来，我可真要发疯了，那究竟怎样才算“空”呢？ ********* 饭后闲话：无中生有 曾几何时，所有的科学家都认为，无中生有是绝对不可能的。物质不能被凭空制造，能量 也不能被凭空制造，遑论时空本身。但是不确定性原理的出现把这一切旧观念都摧枯拉朽 一般地粉碎了。 海森堡告诉我们，在极小的空间和极短的时间里，什么都是有可能发生的，因为我们对时 间非常确定，所以反过来对能量就非常地不确定。能量物质可以逃脱物理定律的束缚，自 由自在地出现和消失。但是，这种*的代价就是它只能限定在那一段极短的时间内，当 时刻一到，灰姑娘就要现出原形，这些神秘的物质能量便要消失，以维护质能守恒定律在 大尺度上不被破坏。 不过上世纪60年代末，有人想到了一种可能性：引力的能量是负数（因为引力是吸力，假 设无限远的势能是0，那么当物体靠近后因为引力做功使得其势能为负值），所以在短时 间内凭空生出的物质能量，它们之间又可以形成引力场，其产生的负能量正好和它们本身 抵消，使得总能量仍然保持为0，不破坏守恒定律。这样，物质就真的从一无所有中产生 了。 许多人都相信，我们的宇宙本身就是通过这种机制产生的。量子效应使得一小块时空突然 从根本没有时空中产生，然后因为各种力的作用，它突然指数级地膨胀起来，在瞬间扩大 到整个宇宙的尺度。MIT的科学家阿伦•古斯（Alan Guth）在这种想法上出发，创 立了宇宙的“暴涨理论”（Inflation）。在宇宙创生的极早期，各块空间都以难以想象 的惊人速度暴涨，这使得宇宙的总体积增大了许多许多倍。这就可以解释为什么今天它的 结构在各个方向看来都是均匀同一的。 暴涨理论创立以来也已经出现多个版本，不过很难确定地证实这个理论究竟是否正确，因 为宇宙毕竟不像我们的实验室可以随心所欲地观测研究。但大多数物理学家对其还是偏爱 的，认为这是一个有希望的理论。1998年，古斯还出版了一本通俗的介绍暴涨的书，他最 爱说的一句话是：“宇宙本身就是一顿免费午餐。”意思是宇宙是从一无所有中而来的。 不过，假如再苛刻一点，这还不能算严格的“无中生有”。因为就算没有物质，没有时间 空间，我们还有一个前提：存在着物理定律！相对论和量子论的各种规则，比如不确定原 理本身又是如何从无中生出的呢？或者它们不言而喻地存在？我们越说越玄了，这就打住 吧。

量子涨落看似违反了能量守恒定律，但这种涨落发生在空间中的任何地方，而且能量存在的时间非常短，时刻一到，它就要消失，所以在大尺度上，能量守恒定律并没有被破坏。 不过，上世纪60年代末，有人想到一种可能性：物质或能量的万有引力本身具有负的能量（因为引力是吸力，假设无限远的势能是0，那么当物体靠近后因为引力做功使得其势能为负值）。当涨落产生的能量产生的瞬间，它又产生了一个引力场，引力的负能量与物质（或能量本身）对应的正能量互相抵消，使整个系统看起来并没有多出能量，所以量子涨落没有违反能量守恒定律。