零点能

水风道人

粒子-真空相互作用的效应。按照近代物理学的观点，真空不是虚空，而是量子场系统的基态，具有复杂的结构。处于基态的量子场在不断地振动，具有零点振动能，且具有相互作用（包括自作用），真空中各种量子场不断地有各种虚粒子在产生、消失和转化。在某种意义上真空像是介质，类似于电磁学中电场对电介质的极化，真空与外电磁场的相互作用产生真空极化。真空极化反过来会影响粒子的性质，导致可观测的后果。氢原子能级的兰姆移位和电子的反常磁矩是其典型的两个实例。实验观测的结果与量子电动力学考虑真空极化效应的计算结果，在非常高的精度上完全符合一致，证实了真空极化效应。
由于量子涨落效应，宇宙会随机产生虚弦对，而当周围有一巨大的力场时（比如黑洞），会拆散虚弦对，产生真实粒子。这便是真空极化效应。
在量子力学里，真空并不意味着没有任何场、粒子或能量。量子真空是一种能量为最低的状态，它只是被称作“真空”而已，实际上能量严格为零的状态是不可能存在的。

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真空自发破缺
vacuum，spontaneous breakingof
由于量子场不同类型的相互作用（包括自作用）而导致
真空态的对称性小于相互作用的对称性。又称真空对称性的自发破缺。举一浅显的力学运动例子。将铁丝弯成对纵轴对称的单谷曲线，一小圆环套在铁丝上可作光滑无摩擦滑动。圆环的运动对于纵轴是对称的，其对称性与重力势能的对称性是一致的；如果将铁丝弯成中间有一小鼓包且对纵轴对称的双谷曲线，势能仍然对于纵轴是对称的，而套在此光滑铁丝上的小圆环当其总能量低于小鼓包高度时，只能在左边谷底或右边谷底附近来回运动，环的运动失去了对纵轴的对称性。量子场系统的真空态自发破缺就类似于这种小环运动对纵轴对称性的丧失。
真空对称性自发破缺可产生一定的物理效应，例如使得弱相互作用中的规范粒子W±和Z0获得质量，却仍然保持规范理论原有的可重正化性质。电弱统一理论据此得出W±和Z0的粒子的质量与实验探测的结果符合一致，给予有力的支持。

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真空零点能

狄拉克从量子场论对真空态进行了生动的描述，把真空比喻为起伏不定的能量之海。J. Wheeler估算出真空的能量密度可高达10^13J/cm^3。
折叠编辑本段历史沿革
1948年，荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔提出了一项检测这种能量存在的方案。从理论上看，真空能量以粒子的形态出现，并不断以微小的规模形成和消失。在正常情况下。真空中充满着几乎各种波长的粒子，但卡西米尔认为，如果使两个不带电的金属薄盘紧紧靠在一起，较长的波长就会被排除出去。接着，金属盘外的其他波就会产生一种往往使它们相互聚拢的力，金属盘越靠近，两者之间的吸引力就越强。1996 年，物理学家首次对这种所谓的卡西米尔效应进行了测定。
折叠编辑本段存在形式
零点能量的概念出现在许多场合，而对这些场合做出区分是重要的，此外尚有许多与零点能量有密切关系的概念。
在普通量子力学中，零点能量是系统基态所具有的能量。这样的例子中最有名的是量子谐振子基态所具有的能量真空零点能。更精准地说，零点能量是此系统哈密顿算符的期望值。
在量子场论中，空间的织构(fabric)可以视作是由场所组成，而场在时间与空间中各点是个量子化的简谐振子，并且有相邻振子的相互作用。在这情况下，空间中各点都各有的贡献，导致技术上为无限大的零点能量。又一次，零点能量是哈密顿算符的期望值，但在这里，"真空期望值"这个词汇更常使用，而能量称为真空能量。在量子微扰理论，有时候会说:基本粒子传递子(propagator)的单圈(one-loop)与多圈费曼图贡献，是来自于真空涨落(vacuum fluctuation)或者说来自于零点能量对于粒子质量的贡献。
折叠编辑本段实验证据
要证明零点能量存在，量子场论中最简单的实验证据是卡西米尔效应(Casimir effect)。此效应是在1948年由荷兰物理学家亨得里克·卡西米尔(Hendrik B. G.Casimir)所提出，其考虑了一对接地、电中性金属板之间的量子化电磁场。可以在两块板子间量测到一个很小的力，这种力--称之为卡西米尔力，可直接归因于板子间电磁场的零点能量变化所造成。
卡西米尔效应一开始被视作不易探测，因为它的效应只能在极小距离被看到，然而此效应在纳米科技的重要性逐日增加。不仅是特殊设计的纳米尺度装置可轻易又精准地测量到卡西米尔效应，在微小装置的设计以及制程中，此一效应的影响也逐渐需要被考虑进去，以其会对纳米装置施加不小的力及应力，使得装置被弯折、扭转、相黏和断裂。
其他的实验证据包括有原子或核子的光(光子)自发放射(spontaneous emission)、原子能阶的兰姆位移(Lamb shift)、电子旋磁比(gyromagnetic ratio)的异常值(anomalous value)等等。
折叠编辑本段推进理论
另一个零点能量研究领域是在于如何用它来产生推进。美国国家航空航天局(NASA)与英国航太公司(British Aerospace)两个单位都有相关研究计划，不过要做出可用的技术仍有相当遥远的路要走。要在此领域中取得任何的成功，就必须能做到对量子真空制造出斥力效应(repulsiveeffect);根据理论是可能的，而制造以及测量出这样效应的实验规划在未来要进行。
Rueda、Haisch及Puthoff三人提出了一个加速中的质量体会与零点场相互作用，制造出一种电磁阻滞力(electromagneticdrag force)，而产生了"惯性"此一现象;细节参见随机电动力学(stochasticelectrodynamics)。
折叠编辑本段相关装置
卡西米尔效应使得零点能量成为一个没有争议、且科学界普遍接受的现象。然而"零点能量"一词却已经与一些具有争议性的领域牵扯上关系:设计与发明出所谓的"免费能量"装置("freeenergy" devices)，概念上与过去永动机(perpetual motionmachines)有某种程度上的相似，在发展的成功度也相类似。在外国有许多业余爱好者投入研究，宣称有一定成果，甚至有专门讨论免费能量的网络论坛。这些人自创了一个字用来形容这类装置，叫做OVERUNITY，是指某个装置的输出能量大于输入能量。也有许多公司宣称成功研发这类装置。但是科学界似乎不接受这类发明与发现，这类公司也被批评为诈骗集团。

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这种过程的动态能量可以作为工业能源、未来星际航行能源以及家庭生活等诸多领域的能源。量子真空是一个非常活跃的空间，它充满时隐时现的粒子和在零点线值上涨落的能量场。早在1891年，科学家尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)在一次演讲中就提到:几个世纪之后，也许我们可以从宇宙中的任意一点提取能量来驱动我们的机械。用今天的科学语言解释，这种能源就是真空零点能，或称空间能、自由能等。
华盛顿大学Lamoreaux在他的学生Dev Sen协助下，对卡西米尔效应进行了精确的测量，该测量结果与卡西米尔对这一特殊板间距及几何构形所预测的力相差不超过5%。Lamoreaux在他的实验中，采用镀金石英表面作为他的金属板。另外一块板固定在一个灵敏扭摆的端部。如果该板向着另外一块板移动，则摆就会发生扭转。一台激光器可以以0.01微米的精度测量扭摆的扭转。向一组压电组件施加的一股电流使卡西米尔板移动;而另一电子反馈系统则抵消这一移动，使扭摆保持静止。零点能效应就表现为保持摆的位置所需的电流量的变化。Mohideen等人在加州理工学院作的实验中，在0.1到0.9μm的范围内，用原子力显微镜对卡西米尔力进行的测量结果，与理论值相差不到1%。
折叠前景
如果零点能可以提取，无疑将是人类所能够利用的最佳能源了。它是洁净，廉价的能源，是大自然给予人类的"免费的午餐"。宇宙中所有的物质都来源于零点电磁涨落能，我们身上的每一个物质粒子不停地与真空零点能发生能量交换，也就是，没有任何一个物理体系称得上是孤立体系的。根据物理真空的性质，我们可以从空间任何一点提取零点能，并转换成我们所需要的能量形式。原子中电子绕核转;太阳系中，行星绕太阳转，几十亿年永不停息;超导和超流现象，这些都是大自然给我们的关于能源的启示。
十几年来对真理执著追求的科技工作者没有放弃这项研究。进一步的研究发现:即使用普通的碳电极在轻水以及辉光放电等其他装置中也能观察到"冷核聚变"现象。国际权威刊物《科学》杂志于1998年6月载文称:对冷核聚变不怀疑下列事实，多数装置产生异常能量输出，有些已投入市场，有些已取得专利。美国核科学协会已于1998年将电化学低能核反应列入了年会的正式讨论内容。由于"冷核聚变"与人类的能源问题密切相关，日本、意大利、法国等资源匮乏的国家已投巨资资助"冷核聚变"类型的研究。但是，困扰科学家们的问题是如何解释这些异常现象。真空零点能由于实验用的是重水和钯电极，这很容易给人以错觉，认为这种电化学异常现象就是核现象。因此大部分研究者都在寻求"冷核聚变"的核解释，但在理论上遇到了强大的阻力，进展甚微。另一方面大多数的理论解释认为"冷核聚变" 是一种体效应，没有分析电极微观结构的作用。北京航空航天大学的江兴流教授基于实验结果，以电极的尖端效应为突破口，分析了电化学异常现象。江兴流科研组在电解实验中，观察到在电极附近有高度定向的核反应，以及过热、核嬗变、滞后效应(HeatafterDeath)。经过不断的探索总结出:气体放电、真空击穿及液体中的放电(电解)现象，有着共同的物理规律:由于电解过程中电极表面尖端效应产生的聚能过程，在电极表面局部产生气泡和涡旋运动，气泡的产生和坍塌过程将发生动态卡西米尔效应而提取零点能并以热能的方式释放出来;同时涡旋运动与零点能形成挠场相干而提取零点能，一方面释放热能，另一方面形成类星体涡旋结构，在涡旋中心产生高能射线、中子和高能粒子，并伴有高度定向的核反应。可见电极表面尖端处形成远离平衡态的非线性体系，满足一定的条件就会形成自组织的正反馈涡旋，通过挠场机制提取零点能。从而可以看出"冷核聚变"中的"过热"，在考虑零点能的提取后不应再被视为过热，因为此时它并不违反能量守恒定律。而且，既然"冷核聚变"过程中主要发生的不是核反应，冷核聚变这个词就已经不再适用了，它仅仅是一个代名词。
江兴流教授认为关于"冷核聚变"研究应该将注意力转移到提取零点能和挠场机制上面来。零点能即物理真空能，它是不确定性原理所要求的最小能量。真空能是开放非线性系统的混沌表现，来源于四维空间的电磁流的三维表现，它可扭曲我们的三维空间，从而改变时空度规。慧勒计算零点能的密度为1095g/cm3，也就是说它是一个无比巨大的能源。由真空零点能而带来的可以直接从实验观测的物理结果是卡西米尔效应。挠场理论最初源于爱因斯坦---康顿理论，在广义相对论中，若要考虑物质自旋的作用，需引入非对称的联络，即挠率不为零的情况就会导出挠场的存在，挠场的能量来源是零点能。众所周知，基本粒子的"电荷"对应于电磁场，"质量"对应于引力场，那也应有对应于"自旋"的挠场存在。挠场有许多独特的性质:它只改变物质的自旋性质;类似于引力场的高穿透性;滞后效应;轴向加速效应。用挠场机制我们就可解释电化学异常现象中的过热、核嬗变、滞后放热等效应。
研究"冷核聚变"的意义已经不限于其本身，它使我们意识到一个新的巨大的能源---真空能的存在。我们可以通过高能粒子的对撞激发真空，也可以通过电化学、涡旋等过程激发真空而提取零点能。而且后面所属的过程并不十分复杂，这一点可以通过美国的许多效率大于一的专利看出。这就是说大规模提取零点能具有很大的可行性。
然而一项创新的实现，总是要受到来自各方面的阻力，一方面我们在这个领域的理论和实验研究还不够成熟;另一方面由于真空能这种新能源的广泛应用必然引起世界能源结构的巨大变革，对世界经济格局乃至政治格局都将产生深重影响，传统势力会从学术和经济两方面阻挠新能源研究的发展。
新能源---真空能的大规模利用为人类描绘了一个美好的未来:由于零点能十分巨大，加上它的利用过程高效且清洁无污染，它的大规模利用将解决世界所面临的能源短缺、环境污染、干旱、温室效应等生态环境问题。
不难看出，新能源---真空能的利用是一项具有巨大战略意义的创新工程。而我国在这个领域的研究才刚刚起步，社会各方面应给与足够的关注和支持，国家应不失时机地从系统工程的高度加强这方面的领导工作，以期在国家综合实力竞争中处于优势地位。
折叠应用
世界各地的科学家齐聚英国，研究利用"零点能推动宇宙飞船引擎的可能性，一旦成功，人类将可在太空中自由来去，而且不需要耗费任何燃料，飞行数百年之久也没有问题。截至目前，零点能只获得初步的验证:在实验中两片金属通过零点能的力量结合在一起，微微发热。虽然这和推动太空船的动力相差了十万八千里，但至少证明了利用零点能的构想是可行的。此外，科学家认为物理学定律中的惯性、电子绕原子核运动的动力，可能也是由量子振动而来。若能想出办**服惯性的作用，通过原子的运动汲取能量，太空旅行将不再是梦想。科学家乐观地相信，若假设正确，则5年内就可以制造出新型火箭与人造卫星，未来更有无尽的发展可能性。
折叠编辑本段与宇宙学
在物理宇宙学中，零点能量对于臆测为正值的宇宙常数提供了有意思的课题。简单说，若此能量真的存在，则其应当会施以重力。在广义相对论中，质量与能量等价;任何一者都会产生重力场。
这种关系联结其中一个最明显的困难是真空的零点能量是大得荒谬。天真地说，它是无限大的。不过可以辩称说:普朗克尺度下的新物理会让它在那样的尺度下有个截止点(cut-off)。即便如此，仍会有相当大的零点能量使得时空有明显的弯曲，而与现实相矛盾。对于此情形，至今没有简单的解决办法，而将"理论上似乎相当大的空间零点能量"，以及"观测到宇宙常数为零或很小"这两个情形作调和，是理论物理学中的重要问题之一，而这也变为对于万有理论候选者评比的一项标准。

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经典电磁学里面的“真空”（Classical Vacuum）
不过，光干涉仪的实验虽然没有支持“以太”的存在，但也不能证明“真空”的确是空的。在麦克斯韦的电磁学理论里面，“真空”被视为一种电介质（dielectric medium）。在1862年当麦克斯韦提出他早期的方程组时，他对安培定律的描述是
(1)

对此，麦克斯韦并不满意。因为这个方程会违反电荷守恒的要求，即 。为了解决这个问题，麦克斯韦提出在式（1）右边加上一个新项  ( D 称为“电荷位移”)[10]。麦克斯韦根据的理由是：在电介质材料中包含有正电荷和负电荷，当其暴露在电场时，电场会导致电介质中电荷的位移。这个电荷位移的时间变化就会产生一种“位移电流 Displacement current”(Jd)。这种位移电流会影响磁场。因此，式（1）不仅要包括外加电流，还应该包括位移电流。也就是说，安培定律的公式应修正为
(2)
这成了最终的麦克斯韦方程之一。这个方程在光的传播理论中起着关键的作用。当麦克斯韦研究电磁波在真空中的传播时，他把上式中的外加电流设定为零，但“位移电流”却不等于零，因为他认为真空是一种电介质，所以辐射波在真空传导过程中 Jd 并不等于零。基于这种判断，他最终导出了电磁波的波动方程。
由此可见，把真空看做一种电介质是麦克斯韦的光传播理论中关键的一步。若是把真空看做空无一物，就不可能导出光的波动方程了。


(3) 量子电动力学和量子场论里面的“真空”(Quantum Vacuum)
虽然在20世纪初由于相对论的提出使得许多人认为宇宙的空间是空的。但是，随着量子电动力学（QED）的发展，这一看法已经逐渐改变。真空被认为是电磁场没有被激发时的“基态”（ground state）。也就是说，当一个空间里没有出现任何电磁辐射波（光子）的时候，其空间介质所处的静止状态就被称为“真空”。对于这种空间介质的物理性质，科学家到目前还不是十分清楚。出现过很多种建议模式。不过有一点是可以确定的：这种真空的能量并非零。当我们把某一频率的辐射波量子化时，就会发现其能量是等于E= (n+1/2) hv，所以当量子数为零的时候，该辐射场的能量不是零，而是 ½hv。这称为零点能量（Zero-pointenergy）。于是，在QED里面的真空，就必须包括无穷无尽的零点能量[11]。

在量子场里面，不但光子会生成（created）和湮灭（annihilated），不同的粒子也会生成和湮灭。因此，真空其实就是让不同粒子出没的一个背景实体。真空只是代表当空间里粒子数量为零的时候的量子态。所以量子场论里真空的性质可以非常复杂。美国一位物理学家JosephSilk对于这种量子真空有过一段生动的描述：“量子理论认为，真空不是空的。相反，量子真空可以被描绘为连续出现和消失的粒子的海洋。….. 这里面充满了“虚拟的”粒子，而不是真实的粒子。 ...在任何给定的时刻，真空充满了一对一对的虚拟的粒子与反粒子，这些虚拟的粒子对可以通过影响原子的能级而被显示出来。” [12]
这种把真空当为一个粒子海洋的概念在量子电动学的早期就已经形成。例如，在20世纪30年代，狄拉克创立的电子理论就认为，真空像是一个充满着负能量电子的海洋[13]。当这种负能量电子受到光子的激发时，它就会跃上海面变成一个正能量的自由电子。而这个海洋中所产生的空洞就成了电子的反粒子（即正电子）。狄拉克就凭这个理论在1933年获得诺贝尔物理奖。
根据狄拉克理论的引申，真空不仅仅是负能量电子的海洋而已；所有具有反粒子的粒子都必须有一个负能量粒子的海洋。如此一来，真空不但绝不是空的，它还满载着多种不同的负能量粒子。其复杂性可以想象。于是到了后来，许多研究量子场论的学者就悄悄地放弃了狄拉克的粒子海洋概念。只坚持把粒子当作一个场的量子化激发态；而真空就成了各种量子场的基态。不过对于这个基态的物理性质是什么，始终没有很明确的解释。


(4) 现代宇宙学里面的“真空”
如上所述，现在宇宙学里的主流理论是暴胀理论。这个理论应用了广义相对论以及粒子物理里面的标准模型（Standard Model of particle physics）。暴胀理论里面的真空概念基本是从粒子物理里面的真空概念衍生而来。也就是说，真空里并非空无一物，它仅仅是量子场里面的基态。暴胀理论假设宇宙是贯穿在一个标量场（ϕ）里面。它的性质相当于希格斯理论里面的希格斯场（Higgs field）。真空只是这个场的一个局部最小值（local minimum）。事实上，在暴胀理论里，这种局部最小值（local minima）不止一个。最低的一个被称为“真真空”(True vacuum)；而相邻的较高的一个就被称为“伪真空”（False vacuum）。而宇宙的诞生就是通过在伪真空里面的量子扰动（quantum fluctuation）形成的[4,5]。
这个暴胀理论之所以为目前大多数的宇宙学者所接受，是因为它能够很简单地解释几个近年观察到的宇宙学现象，包括宇宙的均匀性和平直性。但对于这个理论本身的细节，还有很多争论的地方[14,15]。这个暴胀模型里面的真空的具体物理性质究竟是什么？目前还有待研究。
在最近几十年，有些学者尝试用弦理论来解释我们的物理世界，包括宇宙的起源。这个理论被称为“万有理论”（A theory of everything）。因为它企图融合了量子力学和广义相对论，从而解释了从最小的粒子到最大的宇宙的一切物理现象。在这个弦理论里面，真空也不是空的；它是由非常微细的弦交织而成。根据MIT文小刚教授的说法，在现有的弦理论里，真空就是一种弦网液体；弦的密度波就是光波、弦的末端就是电子和夸克。文教授曾经打趣地说：真空的弦网液体就像“一碗汤面”。而我们就是活在这碗汤面里[16]。