北京
如果把一個空間里的空氣、粒子、輻射統統清空，那里真的就什么都沒有了嗎？
量子力學給出的答案，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。
從無法消除的零點能，到真空中潛伏的粒子屬性，再到它與宇宙命運之間的張力，科學家一次次發現：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。
本文9小節，2300多字：
一個永遠清不空的盒子
零點能來自哪里？
零點能意味著什么？取決于你如何理解量子力學
從普朗克到愛因斯坦：零點能的歷史角色
接近絕對零度，分子依然在“動”
場的零點能：卡西米爾效應
無限的零點能，與有限的物理世界
重力無法忽視零點能
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）
無論科學家如何努力，他們始終無法真正讓一個空間或一個物體徹底“空無一物”。即便移走所有可見物質、抽干氣體，甚至假設用科幻手段清除暗物質，量子力學仍然給出一個令人意外的答案：那里依舊殘留著能量，而且幾乎無法被清除。
在最近發表于《量子雜志》（
Quanta Magazine）的一篇文章中，科學作家喬治·穆瑟（George Musser）圍繞一個看似簡單的問題展開討論：當“什么都沒有”時，究竟還剩下什么？
無論你多么努力地清空一個盒子，零點能量仍然存在。（視頻來源：DVDP for Quanta Magazine）
1.
一個永遠清不空的盒子
設想你想把一個盒子徹底清空。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。按照經典直覺，這個盒子理應空無一物。但在量子力學中，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，被稱為基態能量，也就是更廣為人知的零點能。無論你付出多大努力，清空的過程對它而言幾乎無關痛癢。
2.
零點能來自哪里？
零點能主要以兩種形式存在。
一種與場有關，例如電磁場。即便場的振動被極度削弱，也不可能被完全消除。另一種與離散物體有關，例如原子和分子。即使它們被冷卻到無限接近絕對零度，仍然保留著一定的能量。
這兩種情況在物理本質上是相同的。任何在空間中受到約束的系統，都不可避免地具有零點能。
穆瑟將這一現象比作一個落在山谷底部的小球。小球的總能量由兩部分組成：位置決定的勢能，以及運動決定的動能。要讓總能量徹底歸零，就必須同時精確確定位置和速度。但這在量子世界中是不可能的，因為海森堡不確定性原理明確禁止這種同時精確測量。
3.
零點能意味著什么？取決于你如何理解量子力學
零點能究竟“是什么”，在更深層次上取決于你采用哪一種量子力學解釋。
可以確定的一點是：如果將一組粒子置于最低能量狀態，再去測量它們的位置或速度，你會觀察到一系列分布，而不是一個固定值。這些粒子看起來仍在“抖動”。
在某些量子力學詮釋中，這種抖動是真實存在的；而在另一些詮釋中，這種運動只是經典直覺的殘留，人類并不存在一種直觀方式來想象粒子在最低能量狀態下究竟“在做什么”。
4.
從普朗克到愛因斯坦：零點能的歷史角色
零點能的概念最早由德國物理學家馬克斯·普朗克在1911年提出。隨后，真正開始認真對待這一概念的，是阿爾伯特·愛因斯坦。
研究量子真空的理論物理學家、羅切斯特大學的彼得·米洛尼指出，愛因斯坦和他的同時代人曾借助零點能解釋多種現象，包括：
即使在最低能量狀態下，分子和晶格仍然存在微弱振動；以及液態氦在常規壓力下，即便溫度極低，也無法凝固成固體。
5.
接近絕對零度，分子依然在“動”
零點能并非只是理論構想。2025年，位于德國漢堡附近的歐洲X射線自由電子激光設施（等機構的研究團隊，發表了一項實驗結果。
他們將一種由11種原子構成的有機分子——碘代吡啶，冷卻到接近絕對零度，并用激光脈沖打斷其化學鍵。實驗發現，被釋放出的原子運動之間存在明顯關聯。這表明：即便處在極低溫狀態，這個分子在此前依然處于振動之中。
該實驗的主要發現之一并非最初目標。該設施的實驗物理學家麗貝卡·博爾（Rebecca Boll）表示，這是一個“意外但清晰”的結果。
6.
場的零點能：卡西米爾效應
零點能在場中的最著名體現，是卡西米爾效應（Casimir effect）。這一效應由荷蘭物理學家亨德里克·卡西米爾于1948年提出，1958年首次被觀測到，并在1997年得到明確實驗驗證。
當兩塊不帶電的材料板彼此靠近時，它們會相互吸引。卡西米爾認為，這兩塊板會切斷電磁場的某些振動模式，從而改變零點能的分布。根據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，這種差異產生了吸引力。
7.
無限的零點能，與有限的物理世界
在量子場論中，場通常被描述為由無數振蕩子組成，而每個振蕩子都具有零點能。這意味著，一個場在理論上包含無限多的零點能。
這一結論在二十世紀三四十年代首次出現時，曾令物理學家深感不安。但他們最終學會了與這些“無窮大”共處。在大多數物理問題中，真正重要的是能量差，而不是絕對值。通過精巧的數學處理，物理學家可以用一個無窮大減去另一個無窮大，得到有意義的結果。
8.
重力無法忽視零點能
然而，這種處理方式在重力問題上并不奏效。早在1946年，物理學家沃爾夫岡·泡利（Wolfgang Pauli）就意識到：如果零點能真的如此巨大，它所產生的引力足以讓整個宇宙爆炸。
約翰斯·霍普金斯大學的物理學家肖恩·卡羅爾（Sean Carroll）指出：所有形式的能量都會產生引力，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
在量子物理學中，真空的零點能并不僅僅意味著“你無法真正清空一個盒子”。更重要的是，它改變了人類對“虛無”的理解。
真空并不是缺失一切的狀態，而是蘊含一切可能性的狀態。
彼得·米洛尼指出，真空中以某種方式“體現”了所有的場，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”。零點能是所有可能物質形式共同作用的結果，其中也包括人類尚未發現的那些。
在量子力學的語境下，“什么都沒有”，并不是終點，而是通向“一切”的起點。
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」
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