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器外面,像傳說中穿牆而過的嶗山道士。不確定性原理賦予它這種神奇的能力,衝破一切束縛。還有一種辦法,降溫。我們都知道原子在不停地振動,溫度是這種振動的宏觀表現,當溫度下降到絕對零度,理論上原子就完全靜止了。那時候動量確定為零,只要測量位置就可以了吧?可惜,絕對零度是無法達到的,無論如何努力,原子還是拼命地保有最後的一點內能不讓我們測準它的動量。不管是誰,也無法讓原子完全靜止下來,傳說中的聖鬥士也不行——他們無法克服不確定性原理。

動量p和位置q,它們真正地是“不共戴天”。只要一個量出現在宇宙中,另一個就神秘地消失。要麼,兩個都以一種模糊不清的面目出現。海森堡很快又發現了另一對類似的仇敵,它們是能量e和時間t。只要能量e測量得越準確,時刻t就愈加模糊;反過來,時間t測量得愈準確,能量e就開始大規模地起伏不定。而且,它們之間的關係遵守相同的不確定性規則:

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各位看官,我們的宇宙已經變得非常奇妙了。各種物理量都遵循著海森堡的這種不確定性原理,此起彼伏,像神秘的大海中不斷升起和破滅的泡沫。在古人看來,“空”就是空蕩蕩無一物。不過後來人們知道了,看不見的空氣中也有無數分子,“空”應該指抽空了空氣的真空。再後來,人們覺得各種場,從引力場到電磁場,也應該排除在“空”的概念之外,它應該僅僅指空間本身而已。

但現在,這個概念又開始混亂了。首先愛因斯坦的相對論告訴我們空間本身也能扭曲變形,事實上引力只不過是它的彎曲而已。而海森堡的不確定性原理展現了更奇特的場景:我們知道t測量得越準確,e就越不確定。所以在非常非常短的一剎那,也就是t非常確定的一瞬間,即使真空中也會出現巨大的能量起伏。這種能量完全是靠著不確定性而憑空出現的,它的確違反了能量守恆定律!但是這一剎那極短,在人們還沒有來得及發現以前,它又神秘消失,使得能量守恆定律在整體上得以維持。間隔越短,t就越確定,e就越不確定,可以憑空出現的能量也就越大。

所以,我們的真空其實無時無刻不在沸騰著,到處有神秘的能量產生並消失。愛因斯坦告訴我們,能量和物質可以互相轉換,所以在真空中,其實不停地有一些“幽靈”物質在出沒,只不過在我們沒有抓住它們之前,它們就又消失在了另一世界。真空本身,就是提供這種漲落的最好介質。

現在如果我們談論“空”,應該明確地說:沒有物質,沒有能量,沒有時間,也沒有空間。這才是什麼都沒有,它根本不能夠想象(你能想象沒有空間是什麼樣子嗎?)。不過大有人說,這也不算“空”,因為空間和時間本身似乎可以透過某種機制從一無所有中被創造出來,我可真要發瘋了,那究竟怎樣才算“空”呢?

飯後閒話:無中生有

曾幾何時,所有的科學家都認為,無中生有是絕對不可能的。物質不能被憑空製造,能量也不能被憑空製造,遑論時空本身。但是不確定性原理的出現把這一切舊觀念都摧枯拉朽一般地粉碎了。

海森堡告訴我們,在極小的空間和極短的時間裡,什麼都是有可能發生的,因為我們對時間非常確定,所以反過來對能量就非常地不確定。能量物質可以逃脫物理定律的束縛,自由自在地出現和消失。但是,這種自由的代價就是它只能限定在那一段極短的時間內,當時刻一到,灰姑娘就要現出原形,這些神秘的物質能量便要消失,以維護質能守恆定律在大尺度上不被破壞。

不過上世紀60年代末,有人想到了一種可能性:引力的能量是負數(因為引力是吸力,假設無限遠的勢能是0,那麼當物體靠近後因為引力做功使得其勢能為負值),所以在短時間內憑空生出的物質能量,它們之間又可以形成引力場,其產生的負能量正好和它們本身抵消,使得總能量仍然保持為0,不破壞守恆定律。這樣,物質就真的從一無所有中產生了。

許多人都相信,我們的宇宙本身就是透過這種機制產生的。量子效應使得一小塊時空突然從根本沒有時空中產生,然後因為各種力的作用,它突然指數級地膨脹起來,在瞬間擴大到整個宇宙的尺度。mit的科學家阿倫?古斯(alanguth)在這種想法上出發,創立了宇宙的“暴漲理論”(inflation)。在宇宙創生的極早期,各塊空間都以難以想象的驚人速度暴漲,這使得宇宙的總體積增大了許多許多倍。這就可以解釋為什麼今天它的結構在各個方向看來都是均勻同一

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