负能量的物理学解释

负能量的物理学解释

1能量、无能量t.年轻（1773.1829）是英国的一名物理治疗师。因为他知道光的干扰。另一个贡献是，1807年引入了能量（能量）的概念，并将过去被称为“活力”的人称为动态能量。按照现在的理解,能量是物质世界的基本属性之一,是物理系统做功能力的标志。能量是可用数字表征的物理量,其单位与功的单位相同——在SI制中是焦耳(J),在粒子物理学中是电子伏(1ev=1.60218×10人所共知,大于零的数是正数,小于零的数是负数。“负能量”这个词的意思,显然就是“比没有(零)能量还少的能量”。这从字面上讲难于理解:所说的到底是什么情况——究竟有没有能量?从经典物理出发无法解释负能量概念,它的支柱来自量子物理学。如果一定要用经典语言说明,那么正能量代表积极的作用(例如动能可以激起活力促成运动),负能量似乎代表消极作用(例如压制和消解活力阻碍运动)。但事情真是如此吗?对此需作深入的分析和研究。近年来国内出现了畅销书《正能量》,是译自国外心理学著作的作品;提倡一种积极向上的心态当然很对。但“负能量”是否就是一种坏东西?要回答这个问题就必须考察物理学的历史和现实。2弱相互作用的宇称形成人们在观察自然界及其丰富的物质形态时产生了“对称”和“非对称”的观念。大自然常常呈现出对称、美丽、和谐的规律性和秩序。1952年H.Weyl物理学中对称的定义是“物质的状态和运动规律在对称变换下的恒定性”,对称性反映不同物质运动形态的一种共性。但是并没有任何物理定律规定对称原则一定会得到严格遵守;如把非对称看成对于对称的损坏(对称性的破缺),那么它常常是有益的。典型例子是著名物理学家李政道、杨振宁1956年在《PhysicalReview》上发表的论文“弱相互作用中的宇称守恒质疑”自然界有各种不同的对称性,每种对称都与特定的变换相联系。在近似对称变换中,改变空间反射的宇称P、时间反演T、电荷共轭C,这三个守恒量P、T、C,实际上都有对称破缺的可能。李、杨二人就是从理论上预言,P、C在弱作用中会破坏,而由吴健雄作了实验证明。理论物理学家和粒子物理学家作过许多关于对称性的研究,但对经典物理(经典电磁学)领域的一些问题似有所忽视。2009年黄志洵在物理学中有众多物理量和参数;那么,它们是否都是既有正值又有负值?这个研究领域太大,当前我们只选择为数不多的物理量和参数进行探索,力求深入下去取得成绩。笔者对此研究有年,突出的体会是:最难的是确定负参数的物理意义。例如根据公式E=mc又比如,经典电磁学告诉人们,在各向同性的线性电介质中,电位移矢量和电场强度矢量成正比(Due04c=εEue04c);在非铁磁性的媒质中,磁感应强度矢量和磁场强度矢量成正比(Bue04c=μHue04c)。很显然,介电常数ε和导磁率μ只是使上述两个矢量方程保持线性的常数。如果说它们两者之一为负或两者都为负,据此就认为其意义仅是使两个矢量(Due04c和Eue04c、Bue04c和Hue04c)的方向相反,看问题就太简单化了。1964年V.Veselago3dirac创新思维的启示英国物理学家P.Dirac(1902~1984)于1928年针对电子的运动提出一个相对论性量子波方程,它除了正能解还有负能解,这是负能量(negativeenergy)概念的最早来源。他的工作导致发现正电子和确立反物质存在的可能性,因而在C.Anderson于1932年用云室找到正电子之后,1933年Dirac与E.Schrödinger共获Nobel物理学奖,后者于1926年提出一个非相对论性量子波方程,成为新波动力学(thenewWaveMechanics)的基础式(1)为在相对论力学中粒子动能E和动量p满足的方程。为获得量子力学(QM)的波方程,令式(1)左端对波函数ψ作用:并把E和p理解为算符以c除全式,再令上式左端对波函数ψ作用,得它包含4个新变数α和β,它们是能作用于ψ的算符,而且各α可与p和E对易。Dirac指出,α的这些特性使式(3)和式(2)在一定程度上等效,因为如用在量子力学(QM)中的写法为则Dirac波方程为上式在形式上与Schrödinger方程相同,但H完全不同。在(4)中m则可得由4个代数方程组成的联立方程组;由此寻找A式(6)看来并非新结果,相对论也给出这样的动量—能量关系。过去的作法是认为负能量(E电子可能具有负能态;但电子动能总是正的,那么电子如何能跃迁到这样的负能态上去?为了克服这个困难,Dirac大胆假设:方程的两组可能解答中,负能解的意义是有另一种粒子(电子的对应物即正电子positron)存在。他解释说,如果把真空看成这样一种最低能态,其所有负能态都被填满;如有一个未被填,这个空洞或空穴表示这是一个“缺少负能”的状态,应当对应有一个正电子,它仍具有正能量但性质与电子不同,是携带正电荷的粒子即正电子。可见,以为“反物质具有负能量”是错误的,不是Dirac的本意。Dirac的创新思维给人们深刻的启示。首先是负能量概念是有意义的,不是什么奇谈怪论,其价值必须放在理论与实验相结合的现实中去考察,不能死守经典物理中关于功、能的理念,那样的话就不会有负能量这一新概念的地位。其次是负物理参数的讨论一旦登场便不同凡响,为物理学的发展开拓了新方向。再次是对真空的意义要作新的考虑,不能像经典物理那样理解。传统的真空观认为那是一种既无物质、又无辐射,即“什么都没有”的空间,但不可能把物理相互作用也排除掉。Heisenberg测不准原理告诉人们,量子真空概念与经典真空概念不同;因为有起伏和涨落,表示存在一种虚激发过程,虚粒子们(virtualparticles)不断自发地冒出又消失。有涨落的真空对应的平均能量密度为零,但科学家们想出的方法有可能使其小于零。例子之一是“压缩真空态”,使空间某处为正能量而在另一处为负能量,但在整个空间二者保持平衡。据说,使激光束穿越非线性光学材料就能有这种效果[参看R.Slusher在1988年的文章“挤压光”];由于光子们增强或抑制真空涨落,从而造成交替的正、负能量区域。另一种方法是利用Casimir效应;在真空中放两块金属平板而且相互靠得很近,据认为板间的涨落减小,从而造成负能量密度,以及使二者相吸的微小的力(Casimirforce)。H.Casimir曾算出现在我们换个角度,看看英国物理学家S.HawkingHawking理论是从量子场论出发的,与“量子真空观”一致,而“黑洞通过辐射而蒸发”的观点是在1974年提出的。按照广义相对论(GR),黑洞附近的时空弯曲非常大,对真空涨落构成扰乱;正是这个极大的时空曲率决定,必有负能量产生出来并进入黑洞,才能说明正能量会从黑洞出来。因此能量守恒总不能违反,而黑洞物理学亦须与热力学一致。由此看出经典物理学并非一无可取都要抛弃,能量守恒定律、热力学定律当初都是经典物理的成果。……不过,负能粒子的存在,笔者认为迄今仍是假说,尚缺少实验证明。4虫洞、时间机器和弱能量条件20世纪的最后20年,理论物理学家和天文学家有两个热议话题——虫洞(wormholes)和曲相推进(warpdrive)。这两者都关系到超光速宇宙航行的可能性。虫洞并非幻想的产物,它于1916年由LudwigFlamm在研究Einstein场方程解时提出。在弯曲时空和超空间理论中,地球和某个宇宙天体(例如26光年外的织女星)或许可以经由长仅1km的虫洞而通达。20世纪80年代中期,K.S.Thorne进行思考和计算,证明为了靠引力使光束分散及撑开虫洞壁,必须用某种奇异物质贯穿虫洞,该奇异物具有负的平均能量密度。这个推断很重要,但与当前现实不符——目前的已知物质均具有正的平均能量。此外,Thorne确定持续打开的虫洞允许超光速旅行。1988年,他在《PhysicalReviewLetters》上发表了题为“虫洞、时间机器和弱能量条件”的论文。Thorne至今仍坚持说,虫洞和时间机器均为Einstein理论所允许,但主宰它们的是更严格的量子场和量子引力定律。这篇以M.S.Morris现在来看曲相推进;1994年M.Alcubierre根据文献[17],多国科学家都指出,任一种超光速宇航方案都要用负能量——俄罗斯天文学家S.V.Krasnikov(提出一种单向超光速通行的时空管道,但与虫洞不同),以及美国的K.D.Olum,英国的B.Bassett等人,都是这个意见。另有一些科学家通过研究提出了量子不等性(quantuminequalities),其中说“负能量的大小与时、空尺度成反比”,亦即能量越大可持续时间就越短;而且,负能量存在的空间的尺寸很小。总之,虫洞、曲相推进受到严格的限制,星际飞船需要的负能量是天文数字般巨大,所以无法实现。一方面负能量必不可少,另一方面产生它又很困难。当然这是目前的情况,我们不知道50年后或100年后的科学家能否搞出一些新方法。最后顺便指出,2000年WKD实验在《Nature》上刊出文献[21]公式(29)是该文最终结果;代入WKD实验中的参数,得wue04c<0;如认为wue04c是脉冲在媒质中的电磁能量密度,那么它是负的!再者,能量密度增加的方向是A(z,t)的反向。由于可以证明能量传输速度v文献[21]解释说,向入射方向传播的负能密度等效于沿入射方向传播的正能密度,即v国内有著作认为(曹庄琪、殷澄.一维波动力学新论.上海交通大学出版社,2005),由于早期实验(Enders&Nimtz,SKC等)中测出的隧穿时间小于粒子以光速在真空中穿过相同距离所需时间,看似违背了因果律,“惊慌”的物理学家们提出“脉冲重组”假说,认为透射波包不是入射波包转化的,而仅由(入射波)最前端部分造成;这样可以化解超光速现象与因果律的冲突。曹先生认为,近期尚不能靠实验穿透理论上重重迷雾。……在P.159又说,“如武断地把测量的时延与速度联系在一起,(SKC)实验测到的光子穿过势垒的速度将达1.7c”。我们认为文献总结以上所述,中外科学家都发现超光速总与负能量有关,这不是偶然的巧合,值得引起重视。而且有一条重要的启示——负波速或许是产生负能量的一种独特方法。值得称道的是,早在1968年G.Feinberg5存在负能量的可能性1964年V.Veselago发表了有关研究的首篇论文,题为“ε、μ同时为负时物质的电动力学”式中n是媒质的折射率,它满足ε在这里我们关注的是能量关系;在各向同性媒质中,电场能量密度、磁场能量密度分别为那么ε或μ为负将导致负能量密度。如空间既有电场也有磁场,则总能量密度为如ε<0、μ<0同时成立,则w<0;但如ε或μ有一个为正,则总能密度不一定是负的。出现负能量的可能性使Vesselago不安,因为经典物理学中不会有负能量的地位。他利用频率色散(frequencydispersion)概念作解释;在无色散、无吸收的条件下讨论,如果保持总能量不能为零的约束(这与传统上对能量的认识相符),那么ε、μ为负是不可能的,即不存在同时满足ε<0、μ<0的可能性。然而,下述表达式更具有一般性:如要保持w>0,则需满足两个不等式不意味着ε、μ不能同时为负;但是,为满足上述不等式的要求,最终将取决于ε、μ与频率的关系。虽然Vesselago从经典电动力学出发排除了w<0的可能,在论文发表的几十年后实验技术发展的成果给这个问题作了结论。2000年3月美国物理学会召开大会,其间有圣迭戈加州大学(UC-SD)的科学家D.R.Smith宣布在微波完成了负折射率实验,做出了多年前预言的LHM。论文发表在5月1日出版的PRL杂志上无论如何,ε<0、μ<0媒质之实验成功是对“存在负电磁能量”的有力支持。从这个能量角度去研究超材料和变换光学(隐身衣技术的理论基础)是重要的。6负质量存在的可能性负能量概念的物理意义令人费解。然而由于众所周知的公式E=mc惯性质量(inertiamass)的概念似乎可用。实际上,在比较同一物质时,“物质含量多少”的质量定义是好的;但在比较不同种类的物质(物体)时,则从一切物质都有的惯性出发而定义则更为恰当。……惯性质量的确定方法为,施一力F于物体并求出加速度a,然后算出力与加速度的比:对给定的物体比例系数m是常数,它告诉人们使该物体加速的难易程度——要产生一定的加速度,惯性质量m越大则需力越大;质量代表物体的惯性。或者说,是惯性的量度,是一种抵抗外力的能力。负质量物质或物体(假如存在的话)将导致产生负加速度。……这种解释好于“质量是物质的含量”的Newton最早定义。那么负质量存在的可能性究竟如何?对此进行研究的科学家很多,例如1957年H.Bondi(i)所有3种质量都是正的(这是通常情况);(ii)惯性质量为负,引力质量为正;(iii)惯性质量为正,引力质量为负;(iv)所有3种质量均为负。想象有两物体,一个质量为正,另一个质量为负;正质量物体会吸引负质量物体,而负质量物体会排斥正质量物体。Bondi的论文是在广义相对论(SR)框架内讨论负能量;如把相对论看成纯粹是引力理论,实际上惯性质量和无源引力质量都不出现。无源引力质量首次在Schwarzschild解中作为积分常数而出现。总之Bondi的文章的数学分析难以读懂,物理结论亦欠明晰。L.I.Schiff2004年P.Wesson对所谓“负质量佯谬”的意思可作以下说明:两个粒子或物体的引力质量为m两粒子各自具有的加速度由下式决定:设m近年来在宇宙学研究中使用了负质量概念,例如尝试用负质量去理解宇宙的创生和演化,认为量子起伏如导致负质量区域。力学的不稳定性会导致大爆炸的发生(F.Hoyle即持此观点)。另外也有人认为在宇宙某个遥远地方许多负质量天体挤在一起,正是斥力使它们离地球越来越远。……不过这些都是猜测,迄今为止无人见过(或创造过)负质量的物质(物体),研究都只是由于理论上的兴趣而已。7真空能量casimir近年来国内图书市场上出现的畅销书《正能量》的作者,是这样作开篇叙述的:“以真空能量为零,能量大于真空的物质为正,能量小于真空的物质为负”。这似乎是在给“正物质”、“负物质”下定义;而且,“以真空能量为零”也是值得商榷的话。现代物理学对真空的定义是:“组成客观世界的各量子场系统的最低能量状态(基态)”,因此真空并非“没有物质的空间”。由于量子场各振荡模在基态也不断起伏振荡(零点振荡);真空中各量子场仍有相互作用和自作用,因而有虚粒子(virtualparticles)产生、转化、消失,甚至可能有相干凝聚作用。因而“真空有复杂的结构”(李政道语),甚至可看作一种独特媒质。既如此,作为物质形态之一的真空,能量状态不会是零。取两块平面金属板放在真空中相互平行面对,从表面上看不会有任何事情发生,除了有Newton的万有引力。然而H.Casimir下标c代表Casimir;E问题在于E式中c是真空中光速,ℏ是归一化Planck常数;推导结果E现在既已测出F2010年邱为钢Casimir力表明电磁ZPE的实在性。当Casimir当年告诉大物理家W.Pauli“两块导体板互相吸引”时,后者最初认为是胡说八道;但后来Pauli终于接受了这个结论。……两块板子也可以用电介质材料做成,甚至用超材料(meta—materials,即LHM)来做。也有研究论文认为,这与“宇宙常数问题”有关。物理学家曾考虑,具有负ZPE的费米子场(Fermionicfields)会对消具有正ZPE的波色子场(bosonicfields)。……更有意思的是有人提出,与Casimir力相对应的电磁模式们,不是那些自由空间电磁波模,而是物质的表面消失模(evanescentsurfacemodes)。但有人说,谈Casimir力时可以不谈真空,而只谈物质与相邻电磁模的相互作用。这类说法始于1956年,在Lifshitz的计算中场是经典的,但与物质相耦合,没有ZPE。也就是说,在不参考真空起伏条件下认识Casimir力,也是可能的。可见对Casimir效应的物理本质一直存在争论。主流观点是遵循Bohr的意见——电磁场的零点涨落引起了Casimir效应,这个经典解释可称为ZPE观点。由于量子化之后的电磁场可用光子数算符的本征态n式中n为光子数;可见k模电磁场的能量不是nℏω,而是多出1项;当空间没有光子(n=0),k模能量为ℏω/2,此即ZPE。那么现在量子真空基态而对没有光子的真空而言仍有最小能量存在:这明显与经典物理观点(热力学温度T=0时系统内能为零)不符。总之无论如何不能说真空能量为零。另外,上述推导是针对无边界自由电磁场量子化后的情况;环境虽为真空,两块金属板并未置入;故可知ZPE还不是我们讨论的负能量。另一种解释与Bohr不同,即不仅把物质看成限制电磁场的边界,甚至不认为是电磁场的ZPE造成Casimir效应,而是物质内部的原子电偶极矩的量子起伏造成的物质场零点能(ZPEofmatterfield),在这个假定下也能导出正确的Casimir力公式。这样的理论由J.Schwinger由此分析得出的结果是:电磁场与物质场耦合系统的基态能量低于系统无相互作用时的未微扰真空态能量;这对负能量研究颇有启发。8对负能量的多认识对负能量问题作科学评估是困难的,这里我们只尝试作一小结。首先,在经典物理中没有这个概念,因为只要把真空看作“无物质、无能量”的状态,对负能量就无从谈起。量子力学(QM)建立于1926—1927年间;1928年P.Dirac提出了负能态的概念(他认为真空是大量负能态电子之海),这种重新评价和认识真空的路子正是量子物理学非常独特的地方。量子场论(QFT)和量子电动力学(QED)是现代物理学的珍珠,它们在非常小的规模上描写宇宙行为,认为真空中有粒子(虚粒子),有能量(零点能)。这就颠复了经典物理的真空观,把真空看作一种折射率小于1(n<1)的介质。一些物理学家甚至提出“向真空要能量”的口号;对此虽然有争议,但这与“真空能量为零”的说法差别就太大了。对Casimir效应展开的大量研究也证明“量子真空不是一个为了方便而构造的概念”。美国Portland州立大学教授倪光炯其次,Hawking提出的负能粒子也不是什么特殊的东西,因为虚粒子携带的能量可正可负。在黑洞那里,甚至实粒子也可以有负能量。这些观点表示,在自然界可能存在负能量;当然还有待实验上的证明。另外,如找到负质量也就找到了负能量。再次,在人类实验室中制出负能量是可能的,这包括采用压缩真空态、Casimir效应、超材料、负群速等原理和方法,它们是科学家可以深入研究的领域,发明家的用武之地。最后,许多科学家的研究结论都认为超光速现象或超光速运动的获得与负能量有关,甚至后者是决定性的因素;这就大大扩展了人们的视野。从自然科学