2017-09-20 由 量子小飛 發表于科學

量子泡沫也叫時空泡沫（spacetime foam），是惠勒（John Wheeler）1955年根據量子力學提出的概念。量子泡沫是極小尺度（普朗克長度量級）下量子振盪的定性描述。在這么小的時空尺度下，不確定關係使粒子和能量瞬間產生，然後消失。 隨著討論時空尺度的縮小，虛粒子能量將增加。量子泡沫是由真空漲落引起的，同不確定性，只有在微觀尺度上才能顯現出這種特徵。足夠小尺度下能量的「泡沫」式漲落將大到足以在較大尺度下觀測到相對平滑時空的顯著偏離。但我們必須有一個量子引力理論才能指出在什麼樣的尺寸下才能出現這樣的量子泡沫，現有的各種量子理論不能精確地描述這么小尺度下的物理。

在相對論無法奏效的時候，量子理論就會出現。惠勒本人是從量子理論進入廣義相對論的，使用量子理論更加得心應手。在討論真子時，他就想到，如果考慮到量子效應，則會有很小的真子。同樣，他相信，量子力學可能支持蟲洞的存在。1928年，狄拉克提出的相對論性電子運動方程預言了正電子及反粒子的存在，這導致真空的意義發生了變化。真空不再是虛無的空間，而是負能態恰好被填滿的狀態，或者說，是正反粒子恰好平衡的狀態。真空既然並非空無一物，必然不是穩定的。只要外界存在微擾，就會產生漲落。漲落一旦產生，就會繼續漲落。真空的漲落表現為正反粒子不斷產生和湮滅。根據測不準關係，區域越小，漲落越大。時間和能量是一對滿足測不準關係的共軛量，因而能量守恆定律會在短時間中被違背。時間越短，偏離守恆的能量越大，就會產生質量更大的正反粒子；這些正反粒子的壽命也就越短。

所以，一個平靜於虛空中的電子根本不是平靜的。如果使用一個很高很高能量的假想的顯微鏡放大它，就會看到這個電子的周圍環繞著很多很多活躍的鄰居。其餘的電子和正電子正在肇生和湮滅。光子正在誕生和死亡。重粒子也加入這個不停的創生與湮滅之舞。我們離它越近，這些活動就越激烈。這個「孤立的」電子是沸騰的火山中的結點（nub）。就在這整個宇宙的小小微宇宙中，在粒子範圍能夠發生的一切事情都在發生著。

宇宙量子泡沫

然後，當我們退回到大尺度空間，用低能量的顯微鏡來觀察，一切變得簡單而有秩序。遠遠地看，那兒有一個孤單的電子，具有一個單位的負電荷，有特定的質量和自旋，看起來處身於偉大的孤獨之中。然而，如果我測量它的磁矩（由於其自旋電荷產生的磁場強度），我們發現，這不是由原始狄拉克孤立電子理論所預言的那個值，而是那個值的1.001159652倍。蜂擁而來的虛幻粒子成了電子的隨員，儘管看不見，但是我們知道它們在那兒。甚至在遠離電子的地方，也在電子的磁場上留下了不容否認的痕跡，使它高出了千分之一。 這種建立在粒子描述上的可視模型當然只存在於符號實在之中，事實上，我們永遠也不可能對這樣的尺度有真正的視覺經驗。這個描述給出了我們想像極微觀世界的一種方式。這個想像我們可以在另一種場景找到對應。當我們在飛機上俯瞰大海，海面看起來平坦如鏡。隨著高度的降低，如鏡的海面逐漸有了細節，有了漣漪。再向下，會出現波浪。等到臨近水面時，又會出現急流、旋渦、水的泡沫。從不同的尺度觀察，就會有不同的景象。當我們深入實在的深處，發現實在呈現出遠距離觀測所無法想像的情景。但是，這種完全由理論所推斷的結果是否真的是實在本身？當我們這樣問的時候，仍然假設了一種預先存在的感知實在或者本體實在。

惠勒在深入廣義相對論之初，就在考慮廣義相對論與量子理論之間的聯繫。「如果量子理論控制電場、磁場和中微子場，難道它不應該同時也控制引力場，即空時自身嗎？」 惠勒發現，在考慮了量子現象之後，空間和時間都在小區域內變得紊亂不定。

量子泡沫

甚至紊亂還不足以形容。空時在足夠小的區域中應該不僅僅是「崎嶇坎坷」，不僅僅是曲率飄忽遊蕩；它應該碎化成動盪不停的多連通幾何。在非常小的區域非常短的瞬間，蟲洞應該是這個場景中非常多的一個成分，就像使電子能量和磁場發生微小偏移的跳動的虛擬粒子一樣多。