水风道人

目前的宇宙学与相对论对于真空有不同的假设
不过，现在的宇宙学与相对论之间在概念上并非完全一致。例如在Alan Guth (阿兰·古斯)的暴胀理论里，宇宙膨胀的动力来源主要是用广义相对论来解释[1]。但他这个理论的假设与相对论对于“真空”的看法又有着一些分歧。在目前的宇宙学里面，它的基本假设是宇宙中的能量和物质来自“真空”中的量子扰动（quantum fluctuation）。“真空”只是一个“场”的基态。它并非空无一物的，而是具有很特殊的物理性质。（详细的介绍请看我的上一篇博文《了解宇宙起源的关键：真空是什么？》Link：http://blog.sciencenet.cn/home.p ... blog&id=1067514）。这种“真空非空”的概念会与相对论产生矛盾。相对论的第一假设（1st postulate）就是“相对性原理 principle of relativity”。就相对论而言，“真空”应该是空的。否则它就会形成一个宇宙中的静止参照体系（resting frame），我们在理论上就可以量到所有惯性系相对于这个静止参考系的运动。这样一来，相对论的第一假设（即所有的惯性系都是相等的）就会被打破。
有人可能说，目前宇宙学用的是广义相对论，而非狭义相对论。但是，广义相对论和狭义相对论的基本假设应该是一致的，因为前者必须建立在后者的理论基础上。所以，广义相对论也不可能违背狭义相对论的第一假设。
对于“真空”是否是空的这个问题，爱因斯坦并没有很清楚地表态。他关于“以太”的看法是曾有些反复的。在1905年当他首先提出狭义相对论的时候，爱因斯坦是明显地认为“以太” 并不存在。可是到他提出广义相对论时，他对于“真空”的看法已经有所改变。1920年爱因斯坦在Leiden大学给过一篇“以太与相对论”的演讲。在其中，他就公开表明不能否定“以太”的存在。而且，他认为把“真空”当做一个空无一物的空间是不符合力学的基本事实。他认为在广义相对论里面，空间是有某种物理性质的。因此可以把它当作一种新的“以太”。[注1]。不过，他认为这种新的“以太”与旧的“以太”观念有别，它并非一种有质量的运动介质，因此它不会形成一个静止的参考系。所以，这种新的“以太”不会否定他的狭义相对论的第一假设。

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目前的证据能否说明宇宙是否有一个静止的参考系？
从以上的讨论可见，现在争论的焦点已经不限于“真空”是否是空的，而是我们能不能从实验上证明宇宙有或者没有一个静止的参考系？
爱因斯坦提出狭义相对论是基于迈克耳孙－莫雷实验[3]（Michelson-Morley experiment）。让我们重新来看看这个实验是否证明了宇宙中没有静止参考系。该实验原来的设计，只是要检验：假如光是由一种叫“以太”（aether）的介质传播的话，我们能不能观察到“以太”这种物质与地球的相对运动。实验的结果是否定的（null）；也就是说，实验无法观察到“以太”与地球的相对运动；光的传导在任何一个惯性系里都是一样的。这个结果完全符合了爱因斯坦提出的相对性原理。但是迈克耳孙－莫雷实验只观察了光（或者电磁波）的传播，而不是对于所有物理运动的观察。因此，这个实验只能说明光的传递符合了相对性原理，而并不能说明除了光的传递以外，其它的物理相互作用（例如重力，核力等等）也都符合相对性原理。所以，迈克耳孙－莫雷实验并没有直接地证明宇宙中没有一个静止的惯性系。这个实验当然也无法检验“真空”是否真的是空的。
当然，“以太”理论在20世纪初被抛弃不仅仅是因为迈克耳孙－莫雷实验的结果。它还有一些别的原因，包括“以太”理论难以解释星体何以能够毫无阻力地穿透这种介质。而且，这种假设的“以太”介质有些相互矛盾的物理特性。在19世纪的时候，“以太”是假设存在于所有物质以外的空间。要满足这个条件，“以太”就必须是一种具备高度流动性的物质（气体或者液体）。但是，“以太”又被假设为光的传递介质，但光是一种高频率的横波，只有固态的介质才能传递这样的波。这样“以太”就必须是固态的。这与前面的要求相反。
那么，现代的物理学提出了“真空”非空的假设，它是否也会碰到19世纪“以太”面对的难题呢？答案是否定的。现在的“真空”概念与“以太”有些根本的不同。首先，“真空”是充塞着整个宇宙而非只是存在于物质以外的空间。其次，构成物质的原子是由基本粒子组成的。而粒子只是“真空”的激发波。因此，物质在“真空”中运动不会感受到阻力。[4]
严格来说，迈克耳孙－莫雷的实验结果并没有否定真空介质的存在。爱因斯坦1905年提出的相对论文章大量使用了麦克斯韦的电磁学理论[5]。我在上一篇博文中已经指出，麦克斯韦理论假设了“真空”是一种电介质（dielectric medium）。因此爱因斯坦可以说已经间接地接受了这种假设。事实上，迈克耳孙－莫雷的实验结果也没有直接违背“真空”是一种电介质的假设。因为根据麦克斯韦方程导出的光的运动方程为

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这个方程是符合洛仑兹协变的（Lorentz covariant）。这就是说，如果把方程中使用的时间和空间从一个坐标系(x, y, z, t) 用洛仑兹转换（Lorentz transformation）转换到另外一个坐标系(x’, y’, z’, t’)，光的传导方程看上去是不变的。因此，迈克耳孙－莫雷实验只是证明了光的传导是洛仑兹协变的，而并没有说明“真空”是不是空的。

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宇宙微波背景辐射（CMB）可否作为一个静止参考系？
在今天，我们对于宇宙的观测要远比爱因斯坦时候深入得多。在最近几十年，许多关于宇宙起源的观测都是从分析宇宙微波背景辐射（Cosmic Microwave Background，简称CMB）而来。在二十世纪60年代，美国贝尔实验室的彭齐亚斯（Arno Penzias）和威尔逊（Robert Wilson）在偶然间发现了宇宙微波背景辐射。许多物理学家认为CMB是宇宙大爆炸后遗留下来的辐射波，它可以为我们研究早期的宇宙提供许多宝贵的信息。因此，科学家用各种各样的实验手段来观察CMB。除了一些地面的观察以外，还进行了三个卫星观测计划，即COBE（Cosmic Background Explorer, 宇宙背景探测卫星，1989-1993），WMAP（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，威尔金森微波各向异性探测器，2001-2010）和Planck（普朗克卫星，2009-2013），搜集了大量的数据。根据科学家的分析，这种宇宙微波背景辐射有着非常均匀的空间分布，它与我们观察得到的宇宙物质分布也大致吻合。这就提供了一个可能性：这种宇宙微波背景辐射可不可以作为我们宇宙的一个静止参考系？
根据现在的卫星观测，我们可以准确地量度到地球与CMB的相对运动，甚至可以计算出地球相对于CMB运动的速度约为3.7x105m/s [6,7]。主持COBE项目的物理学家乔治·斯穆特（George Smoot）就因为这项研究CMB的工作而获得2006年的诺贝尔奖。在他获颁诺贝尔奖的演讲中，他就提到过CMB作为一个静止参考系的可能性[注2] 。他认为CMB是一个很方便理解宇宙膨胀的惯性系。可以把CMB的观测当为一种新的“以太”漂移实验。因此，如果有人要把CMB的分布当作一个静止参考系，也是可以理解的。不过他自己并不认为CMB的存在会直接违背狭义相对论。

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4.我们需要设计一个新的实验来解决宇宙学与相对论之间的分歧
根据上面的讨论可知，目前的宇宙学理论与相对论的基本假设有着一些重要的分歧。我们需要设计一个新的实验来检验究竟我们这个宇宙有没有一个静止的参考系。在目的上，这个实验和一百多年前的迈克耳孙－莫雷实验很相似。但是，其使用的手段会大大不同。事实上，迈克耳孙－莫雷实验有一个局限：它使用光来检测不同惯性系的物理运动。不过，光是一种特殊的粒子：它没有静止质量，它的速度永远是c。如果我们要检测“真空”是否有一个静止参考系的话，我们应该用有静止质量、其运动速度不必等于c的普通粒子来做实验。
那么，这个实验要怎么做呢？最近我在European Journal of Physics (欧洲物理杂志) 上发表了一篇文章，为这个实验提出了一个设计[9]。

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现代科学家认为真空并不意味着一无所有，真空是由正电子和负电子旋转波包组成的系统。而与这种现象伴生的能量，称为零点能，也就是说，即使在绝对零度，这种真空活性仍然保持着。狄拉克从量子场论对真空态进行了描述，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1013J/cm3。

关于零点能的设想来自量子力学的一个著名概念：海森堡不确定性原理。该原理指出：不可能同时以较高的精确度得知一个粒子的位置和动量。因此，当温度降到绝对零度时粒子必定仍然在振动；否则，如果粒子完全停下来，那它的动量和位置就可以同时精确的测知，而这是违反不确定性原理的。这种粒子在绝对零度时的振动（零点振动）所具有的能量就是零点能。