量子力學(xué)發(fā)現(xiàn)：“虛無”并不空無，而是一切的起點(diǎn)

如果把一個(gè)空間里的空氣、粒子、輻射統(tǒng)統(tǒng)清空，那里真的就什么都沒有了嗎？

量子力學(xué)給出的答案，恰恰擊穿了人類最根深蒂固的直覺：“虛無”并不安靜，也不空白，它仍然攜帶能量，甚至孕育著一切可能。

從無法消除的零點(diǎn)能，到真空中潛伏的粒子屬性，再到它與宇宙命運(yùn)之間的張力，科學(xué)家一次次發(fā)現(xiàn)：我們以為的“什么都沒有”，也許正是自然界最豐富、最難理解的狀態(tài)。

本文9小節(jié)，2300多字：

1. 一個(gè)永遠(yuǎn)清不空的盒子

2. 零點(diǎn)能來自哪里？

3. 零點(diǎn)能意味著什么？取決于你如何理解量子力學(xué)

4. 從普朗克到愛因斯坦：零點(diǎn)能的歷史角色

5. 接近絕對(duì)零度，分子依然在“動(dòng)”

6. 場(chǎng)的零點(diǎn)能：卡西米爾效應(yīng)

7. 無限的零點(diǎn)能，與有限的物理世界

8. 重力無法忽視零點(diǎn)能

9. 真空不是空無，而是潛能的集合

《量子雜志》文章截圖（圖源：Quanta Magazine）

無論科學(xué)家如何努力，他們始終無法真正讓一個(gè)空間或一個(gè)物體徹底“空無一物”。即便移走所有可見物質(zhì)、抽干氣體，甚至假設(shè)用科幻手段清除暗物質(zhì)，量子力學(xué)仍然給出一個(gè)令人意外的答案：那里依舊殘留著能量，而且?guī)缀鯚o法被清除。

在最近發(fā)表于《量子雜志》（

Quanta Magazine

無論你多么努力地清空一個(gè)盒子，零點(diǎn)能量仍然存在。（視頻來源：DVDP for Quanta Magazine）

1.

一個(gè)永遠(yuǎn)清不空的盒子

設(shè)想你想把一個(gè)盒子徹底清空。你取走所有可見物體，抽干空氣，甚至假想清除一切不可見的物質(zhì)。按照經(jīng)典直覺，這個(gè)盒子理應(yīng)空無一物。但在量子力學(xué)中，答案恰恰相反。

盒子里仍然充滿能量。

這種無法消除的能量殘余，被稱為基態(tài)能量，也就是更廣為人知的零點(diǎn)能。無論你付出多大努力，清空的過程對(duì)它而言幾乎無關(guān)痛癢。

2.

零點(diǎn)能來自哪里？

零點(diǎn)能主要以兩種形式存在。

一種與場(chǎng)有關(guān)，例如電磁場(chǎng)。即便場(chǎng)的振動(dòng)被極度削弱，也不可能被完全消除。另一種與離散物體有關(guān)，例如原子和分子。即使它們被冷卻到無限接近絕對(duì)零度，仍然保留著一定的能量。

這兩種情況在物理本質(zhì)上是相同的。任何在空間中受到約束的系統(tǒng)，都不可避免地具有零點(diǎn)能。

穆瑟將這一現(xiàn)象比作一個(gè)落在山谷底部的小球。小球的總能量由兩部分組成：位置決定的勢(shì)能，以及運(yùn)動(dòng)決定的動(dòng)能。要讓總能量徹底歸零，就必須同時(shí)精確確定位置和速度。但這在量子世界中是不可能的，因?yàn)?strong>海森堡不確定性原理明確禁止這種同時(shí)精確測(cè)量。

3.

零點(diǎn)能意味著什么？取決于你如何理解量子力學(xué)

零點(diǎn)能究竟“是什么”，在更深層次上取決于你采用哪一種量子力學(xué)解釋。

可以確定的一點(diǎn)是：如果將一組粒子置于最低能量狀態(tài)，再去測(cè)量它們的位置或速度，你會(huì)觀察到一系列分布，而不是一個(gè)固定值。這些粒子看起來仍在“抖動(dòng)”。

在某些量子力學(xué)詮釋中，這種抖動(dòng)是真實(shí)存在的；而在另一些詮釋中，這種運(yùn)動(dòng)只是經(jīng)典直覺的殘留，人類并不存在一種直觀方式來想象粒子在最低能量狀態(tài)下究竟“在做什么”。

4.

從普朗克到愛因斯坦：零點(diǎn)能的歷史角色

零點(diǎn)能的概念最早由德國(guó)物理學(xué)家馬克斯·普朗克在1911年提出。隨后，真正開始認(rèn)真對(duì)待這一概念的，是阿爾伯特·愛因斯坦。

研究量子真空的理論物理學(xué)家、羅切斯特大學(xué)的彼得·米洛尼指出，愛因斯坦和他的同時(shí)代人曾借助零點(diǎn)能解釋多種現(xiàn)象，包括：

即使在最低能量狀態(tài)下，分子和晶格仍然存在微弱振動(dòng)；以及液態(tài)氦在常規(guī)壓力下，即便溫度極低，也無法凝固成固體。

5.

接近絕對(duì)零度，分子依然在“動(dòng)”

零點(diǎn)能并非只是理論構(gòu)想。2025年，位于德國(guó)漢堡附近的歐洲X射線自由電子激光設(shè)施（等機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì)，發(fā)表了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

他們將一種由11種原子構(gòu)成的有機(jī)分子——碘代吡啶，冷卻到接近絕對(duì)零度，并用激光脈沖打斷其化學(xué)鍵。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，被釋放出的原子運(yùn)動(dòng)之間存在明顯關(guān)聯(lián)。這表明：即便處在極低溫狀態(tài)，這個(gè)分子在此前依然處于振動(dòng)之中。

該實(shí)驗(yàn)的主要發(fā)現(xiàn)之一并非最初目標(biāo)。該設(shè)施的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家麗貝卡·博爾（Rebecca Boll）表示，這是一個(gè)“意外但清晰”的結(jié)果。

6.

場(chǎng)的零點(diǎn)能：卡西米爾效應(yīng)

零點(diǎn)能在場(chǎng)中的最著名體現(xiàn)，是卡西米爾效應(yīng)（Casimir effect）。這一效應(yīng)由荷蘭物理學(xué)家亨德里克·卡西米爾于1948年提出，1958年首次被觀測(cè)到，并在1997年得到明確實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

當(dāng)兩塊不帶電的材料板彼此靠近時(shí)，它們會(huì)相互吸引。卡西米爾認(rèn)為，這兩塊板會(huì)切斷電磁場(chǎng)的某些振動(dòng)模式，從而改變零點(diǎn)能的分布。根據(jù)目前最被接受的解釋，板外的能量在某種意義上高于板間能量，這種差異產(chǎn)生了吸引力。

7.

無限的零點(diǎn)能，與有限的物理世界

在量子場(chǎng)論中，場(chǎng)通常被描述為由無數(shù)振蕩子組成，而每個(gè)振蕩子都具有零點(diǎn)能。這意味著，一個(gè)場(chǎng)在理論上包含無限多的零點(diǎn)能。

這一結(jié)論在二十世紀(jì)三四十年代首次出現(xiàn)時(shí)，曾令物理學(xué)家深感不安。但他們最終學(xué)會(huì)了與這些“無窮大”共處。在大多數(shù)物理問題中，真正重要的是能量差，而不是絕對(duì)值。通過精巧的數(shù)學(xué)處理，物理學(xué)家可以用一個(gè)無窮大減去另一個(gè)無窮大，得到有意義的結(jié)果。

8.

重力無法忽視零點(diǎn)能

然而，這種處理方式在重力問題上并不奏效。早在1946年，物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇╓olfgang Pauli）就意識(shí)到：如果零點(diǎn)能真的如此巨大，它所產(chǎn)生的引力足以讓整個(gè)宇宙爆炸。

約翰斯·霍普金斯大學(xué)的物理學(xué)家肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）指出：所有形式的能量都會(huì)產(chǎn)生引力，包括真空能量，因此不可能忽略它。為什么這種能量在引力層面幾乎“沉默”，至今仍是物理學(xué)中的重大謎題。

9.

真空不是空無，而是潛能的集合

在量子物理學(xué)中，真空的零點(diǎn)能并不僅僅意味著“你無法真正清空一個(gè)盒子”。更重要的是，它改變了人類對(duì)“虛無”的理解。

真空并不是缺失一切的狀態(tài)，而是蘊(yùn)含一切可能性的狀態(tài)。

彼得·米洛尼指出，真空中以某種方式“體現(xiàn)”了所有的場(chǎng)，也就意味著所有粒子的潛在存在。即使沒有任何電子，真空中依然包含著“電子性”。零點(diǎn)能是所有可能物質(zhì)形式共同作用的結(jié)果，其中也包括人類尚未發(fā)現(xiàn)的那些。

在量子力學(xué)的語境下，“什么都沒有”，并不是終點(diǎn)，而是通向“一切”的起點(diǎn)。

參考資料："In Quantum Mechanics, Nothingness Is the Potential To Be Anything" by George Musser from Quanta Magazine, Published January 5, 2026

本文頭圖來源：「量子號(hào)」

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