亚里士多德说,自然厌恶真空。不过更准确的说法也许是“自然厌恶虚空”。费曼一开始以为自己解决了真空的问题,却发现简洁明了的费曼图无法代替场方法。那么随着科学的发展,我们对真空有什么新的理解呢?
当理查德·费曼晃进我的办公室时,他看起来有些疲惫。那大约是1982年,在圣芭芭拉,漫长而又辛苦的一天刚刚结束:他刚做了一场报告(也是场表演秀),午餐时间被求知若渴的博士后团团包围,其后又与资深研究员进行了热烈的讨论。作为享有盛名的物理学家,费曼的生活总是这般紧张充实。但他仍想讨论物理,于是我们在晚饭前又聊了几小时。
为了理解这句怪诞的独白,你须要了解一些背景知识,包括真空和虚空的区别。
用现代的说法,无论是理论上还是实际上,当你把所有能去除的东西都去掉后,你就得到了真空。如果一片空间区域没有各种各样已知的粒子和辐射(包括暗物质,虽然我们对它缺乏细致了解),我们就说这片区域“成为了真空”。换言之,真空是能量最低态。星系间的空间就近似真空。反之,虚空是理想化的存在。它意味着虚无:没有独立属性的空间区域,什么都不发生。虚空仅仅赋予粒子位置。
费曼年轻时觉得场的观点太不自然。他想重新使用牛顿的方法,直接考虑我们看得见的粒子。为此,他希望挑战隐含的假设,用更简单的方法描述自然——并且避免量子场方法中产生的一个严重问题。在量子理论中,场有很多自发行为:它们在强度和方向上有涨落。真空中电场的平均为零,但它的平方的平均不为零。这个事实至关重要,因为电场的能量密度正比于场的平方。事实上,能量密度的值是无穷大。
费曼发现他能将简单的数学公式对应到每个图,代表图中过程发生的可能性。在一些简单的情况下,他用费曼图得到的结果和别人用场的方法辛辛苦苦算出来的完全一样。这就是费曼说“那里一无所有”的意思。通过移除场,他就能解决场对引力的荒谬“贡献”。他以为自己找到了描述基本相互作用的新方法,不仅比传统方法更简单,还更可靠。漂亮极了!
费曼以为他能解决的难题现在仍然困扰着我们,虽然这个问题在很多方面有所进展。最大的改变在于人们现在能够更加精确地测量真空的密度,发现它并不为零。这就是所谓的“暗能量”(暗能量和爱因斯坦的“宇宙学常数”本质上是一回事,只相差一个数量因子)。虽然密度极小,但暗能量在宇宙中均匀分布,大约占宇宙总能量的70%。