卡什米尔效应
【概念】简单地说，卡西米尔效应(Casimir effect)就是在真空中两片平行的平坦金属板之间的吸引压力。这种压力是由平板之间空间中的虚粒子(virtual particle)的数目比正常数目减小造成的。
大多数人认为，真空是空荡荡的。但是，根据量子电动力学（一门在非常小的规模上描述宇宙行为的理论），没有比这种观点更加荒谬的了。实际上，真空中到处充满着称作“零点能”的电磁能，这正是麦克莱希望加以利用的能量。“零点能”中的“零”指的是，如果把宇宙温度降至绝对零度（宇宙可能的最低能态），部分能量就可能保留下来。实际上，这种能量是相当多的。物理学家对究竟有多少能量仍存在分歧，但麦克莱已经计算出，大小相当于一个质子的真空区所含的能量可能与整个宇宙中所有物质所含的能量一样多。
1948年，荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔(Hendrik Casimir, 1909-2000)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，这种现象就是所谓的卡西米尔效应。1996 年，物理学家首次对它进行了测定，实际测量结果与理论计算结果十分吻合。
引起的相关现象
【负能量物质】那么什么样的虫洞能成为可穿越虫洞呢？ 一个首要的条件就是它必须存在足够长的时间， 不能够没等星际旅行家穿越就先消失。 因此可穿越虫洞首先必须是足够稳定的。 一个虫洞怎样才可以稳定存在呢？ 索恩和莫里斯经过研究发现了一个不太妙的结果， 那就是在虫洞中必须存在某种能量为负的奇特物质！ 为什么会有这样的结论呢？ 那是因为物质进入虫洞时是向内汇聚的， 而离开虫洞时则是向外飞散的， 这种由汇聚变成飞散的过程意味着在虫洞的深处存在着某种排斥作用。 由于普通物质的引力只能产生汇聚作用， 只有负能量物质才能够产生这种排斥作用。 因此， 要想让虫洞成为星际旅行的通道， 必须要有负能量的物质。 索恩和莫里斯的这一结果是人们对可穿越虫洞进行研究的起点。
索恩和莫里斯的结果为什么不太妙呢？ 因为人们在宏观世界里从未观测到任何负能量的物质。 事实上， 在物理学中人们通常把真空的能量定为零。 所谓真空就是一无所有， 而负能量意味着比一无所有的真空具有 “更少” 的物质， 这在经典物理学中是近乎于自相矛盾的说法。
但是许多经典物理学做不到的事情在二十世纪初随着量子理论的发展却变成了可能。 负能量的存在很幸运地正是其中一个例子。 在量子理论中， 真空不再是一无所有， 它具有极为复杂的结构， 每时每刻都有大量的虚粒子对产生和湮灭。 一九四八年， 荷兰物理学家卡什米尔 (Hendrik Casimir) 研究了真空中两个平行导体板之间的这种虚粒子态， 结果发现它们比普通的真空具有更少的能量， 这表明在这两个平行导体板之间出现了负的能量密度！ 在此基础上他发现在这样的一对平行导体板之间存在一种微弱的相互作用。 他的这一发现被称为卡什米尔效应。 将近半个世纪后的一九九七年， 物理学家们在实验上证实了这种微弱的相互作用， 从而间接地为负能量的存在提供了证据。 除了卡什米尔效应外， 二十世纪七八十年代以来， 物理学家在其它一些研究领域也先后发现了负能量的存在。
因此， 种种令人兴奋的研究都表明， 宇宙中看来的确是存在负能量物质的。 但不幸的是， 迄今所知的所有这些负能量物质都是由量子效应产生的， 因而数量极其微小。 以卡什米尔效应为例， 倘若平行板的间距为一米， 它所产生的负能量的密度相当于在每十亿亿立方米的体积内才有一个 (负质量的) 基本粒子！ 而且间距越大负能量的密度就越小。 其它量子效应所产生的负能量密度也大致相仿。 因此在任何宏观尺度上由量子效应产生的负能量都是微乎其微的。
另一方面， 物理学家们对维持一个可穿越虫洞所需要的负能量物质的数量也做了估算， 结果发现虫洞的半径越大， 所需要的负能量物质就越多。 具体地说， 为了维持一个半径为一公里的虫洞所需要的负能量物质的数量相当于整个太阳系的质量。
如果说负能量物质的存在给利用虫洞进行星际旅行带来了一丝希望， 那么这些更具体的研究结果则给这种希望泼上了一盆无情的冷水。 因为一方面迄今所知的所有产生负能量物质的效应都是量子效应， 所产生的负能量物质即使用微观尺度来衡量也是极其微小的。 另一方面维持任何宏观意义上的虫洞所需的负能量物质却是一个天文数字！ 这两者之间的巨大鸿沟无疑给建造虫洞的前景蒙上了浓重的阴影。
【零点能量的证据】既然电磁波零点能量如此巨大，照理应该很容易观测它的效应，其实不然，因为它密度分布相当均匀。但是在某种特殊情况下，当此均匀分布受到些许扰动，便可侦测到此一效应。在1940年代末期，蓝姆（W. Lamb）用二次大战时所发展出来的雷达技术，发现电磁零点能量扰动造成原子光谱的些许偏移，其偏移量约1000MHz，此即谓蓝姆偏移（Lamb shift）。
另一个是卡什米尔效应（Casimir effect），它预测两片靠近的金属片会互相吸引。考虑两片分开特定距离的金属片，能存在其间的波，其半波长之整数倍应与此距离相等，而在两板之外，几乎所有波都会存在。外侧波所带的能量及动量远大于内侧，此种不平衡造成金属板互相靠近（见附图）。
再回到基本问题，为什么电子在最低能阶轨道运行时不会辐射能量？上述现象跟这个问题有何关系？我曾试着拿零点能量理论来加以解释。我发现我们可以想象电子仍按古典物理所预期的不断释出能量，但同时也不断自环境「零点能量海」中吸取相等的能量做为补偿，两者形成动态平衡。
【重力是长距离的卡什米尔力】零点涨落理论也让我们对重力有更深一层的看法。爱因斯坦广义相对论中，对重力有详细的描述，但我们对其基本性质仍很不清楚。广义相对论充其量只是描述，并没有揭示其深一层的动态意义。于是，想把重力和其它力（电磁力、强核力、弱核力）统一起来的企图，和重力场量子化的努力都一再遭遇困难，而追根究底都是因为对最基本的层次缺乏了解。为排除此一困难，理论学家们便诉诸于越来越复杂、越抽象的数学，如最近所发展出来的超重力理论和超弦理论等。
已故的苏俄物理学家沙哈洛夫（A. Sakharov）则持完全不同的看法，他认为重力或许根本不是一种基本作用力，而是一种次级力或仅是与其它非重力场相关的一种残余效应而已。重力可能是零点能量受物质存在影响而改变所形成的。如果此一观念正确，则重力可以是一种卡什米尔力。虽然沙哈洛夫没有作更深一层的推导，但他也列出了一些重要的条件，比如导出用零点能量理论参数表示的重力常数G。
我曾经仔细研究沙哈洛夫的重力理论并得到一些正面的结果。一个质点沈浸在充塞宇宙的零点能量海中，会造成一种微弱而不规则的颤动。当有两个以上的质点存在时，它们不但受涨落的背景零点能量场的影响，同时也受其它质点产生力场的影响。这些相互作用的总和便形成重力。按此重力可称得上是一种长距离的卡什米尔力。
由于卡什米尔力的本质为电磁作用，故此一形式的重力理论便自动成为统一场论的一员。此一新理论最大的优点在于：它能帮助我们了解重力基本作用的方式及特质，包括重力为什么如此微弱；为什么只有正物质而没有反物质的存在；又因为零点能量无所不在，以致重力场无法遮蔽等等。而这一切正是已往的理论所无法解释的。
【零点能量的起源】至此，我们已说明了原子基态轨道电子不辐射及重力场的问题。接下来的问题是，零点能量最初是从那里来的？这有两派说法，其一认为零点能量不过是宇宙存在的部分边界条件，比如说是宇宙初生大霹雳后残留至今的背景辐射。另一派则认为，零点能量是由宇宙间所有带电粒子的量子涨落，放出能量所形成的。
最近，我针对后者的可能性作一计算，我假设零点能量使宇宙间的质点产生振动，而所有宇宙间质点振动释出能量的总和，回过头来又形成零点能量。两者可形成自给自足的循环。
【古典物理与量子物理的争议】虽然零点能量理论是量子力学成熟期的产物，然而，纽约市立大学的博伊尔（T. Boyer）却持有相反的看法。在1960年代末期，他开始提出一个问题：假如我们完全保留古典物理学，再加上一个随机的零点能量涨落背景，而此背景条件可以假设最初由大霹雳产生，随后以前述自我满足式的循环生生不息的持续着，则我们可否由此全古典式的模式中导出量子理论来？
博伊尔从量子力学早期的几个问题开始着手，诸如黑体辐射曲线、光电效应等。结果，他那全古典式的方法，竟然将一些著名的量子力学的结果一一再现。这套方法便称作「随机电动力学」（stochastic electrodynamics, SED），有别于量子电动力学（quantum electrodynamics, QED）。事实上，美国洛色拉莫国家实验室的米洛尼（P. Milonni），在读过博伊尔的理论后说道，如果1900年代的物理学家走的是这条路的话，会比遵循蒲朗克的量子假说来得舒服些。
到目前为止，用SED可以导出与QED相同结果的问题还包括：简谐振元问题，卡什米尔与凡得瓦力、真空中加速运动的热效应等。当然，SED仍有它待克服的难题，比如量子力学中著名的薛丁格方程式，目前仍无法由SED理论获得。然而，很多研究者满怀信心认为，此一问题终将克服。届时，虽然量子力学是否该被SED所取代，仍将是个争论不休的问题。但不管最后结果如何，SED因为引进零点涨落背景条件而获致目前辉煌的成果，代表当初量子力学写完最后一章的同时，已经确定终将赋予真空中的涨落终无比荣耀的地位。
【宇宙起源与零点涨落理论的应用】现在剩下最大的一个问题是，到底宇宙是从那来的？或者，以现代的术语来说，大霹雳是怎么引起的？真空中的量子涨落与此有什么关系吗？纽约市立大学的泰伦（E. Tyron）在1973年主张，宇宙之诞生最初可能是由真空中一个大规模的扰动所引起。这个概念后来由塔甫兹（Tufts）大学的维岚京（A. Vilenkin）所引用，在其所著《膨胀中的宇宙》一书中有进一步的阐释。他说，宇宙可能是经由量子穿隧效应，自表相为空无一物的虚无中，幻化出一切，即我们所称的宇宙。这样的说法反映出，物理学家至此已一再将问题的解答，求诸于虚无与涨落。
对于零点涨落理论的心仪者而言，心里或许还存在一未解的疑问，那就是如此伟大的理论究竟对现实世界，有无实用的价值？是否有可能自真空中抽取电磁能量？针对此一问题的可能性，加州休斯研究实验室的佛维德（R. Forward）曾经有过详细的探讨。
此外，在未来的工程界中，是否有可能会分化出一类如李政道所称的「真空工程学」工程师？人类面临的能源危机是否可能经由对于零点能量海的驾驭而得以解决？毕竟零点能量存在的基本形式是，伴随着高度随机性且趋向于互相抵消。因此，如果我们能够找到一个办法可以将零点涨落的浑沌性整合成一致性，则基于零点涨落高能量内涵的特质，我们必定能自其中获致巨大的效益。
由于目前对于零点涨落所知仍然相当有限，我们不得不回归至苏俄自然科学史学者波朵尼（R. Poldolny）的名言：「草率否定一项可能实现的应用，其结果将与贸然保证其成功一样的不负责任。」究竟人类是否能利用这把上帝的火炬──空间中的量子涨落，只有等待时间来解答了。