真空真的空無(wú)一物嗎？從“虛無(wú)”中誕生的物理學(xué)革命 | 科到了

作者：曹鐘一 博士研究生 | 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 培養(yǎng)單位：中國(guó)科學(xué)院物理研究所 審核：楊海濤 研究員 | 中國(guó)科學(xué)院物理研究所

提起真空，你可能會(huì)想到空無(wú)一物的瓶子，或者宇宙中黑暗、寂靜的深空。在我們的日常觀念里，真空似乎就等同于什么都沒(méi)有。

但物理學(xué)家會(huì)告訴你，事情遠(yuǎn)非如此簡(jiǎn)單。在現(xiàn)代物理學(xué)的視角下，真空非但不是空的，反而可能是宇宙中最復(fù)雜、最活躍、也最基礎(chǔ)的東西。對(duì)真空本質(zhì)的每一次深入理解，都曾引發(fā)物理學(xué)的革命。今天，我們就來(lái)聊聊人們認(rèn)識(shí)真空的幾個(gè)階段。

第一階段：被拋棄的以太

在19世紀(jì)，物理學(xué)家認(rèn)為，光作為一種波，需要媒介來(lái)傳播，就像聲音需要空氣，水波需要水一樣。于是，他們假設(shè)整個(gè)宇宙空間都充滿(mǎn)了一種看不見(jiàn)、摸不著的物質(zhì)——以太（Ether）。當(dāng)時(shí)的真空，其實(shí)就是充滿(mǎn)以太的空間。

然而，著名的邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)試圖探測(cè)地球相對(duì)于以太風(fēng)的運(yùn)動(dòng)，卻得到了“零結(jié)果”。這朵烏云催生了愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論。愛(ài)因斯坦指出，光速不變，電磁場(chǎng)本身就是物質(zhì)，無(wú)需以太這種媒介。于是，經(jīng)典的以太概念被拋棄，真空似乎又回到了空無(wú)一物的狀態(tài)。

但這只是暴風(fēng)雨前的寧?kù)o。隨著量子力學(xué)的登場(chǎng)，真空即將展現(xiàn)出它令人驚異的面目。

邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn) 圖片來(lái)源：https://x.com/fermatslibrary/status/1656668527418564610

第二階段：狄拉克的電子海

當(dāng)?shù)依藢⒘孔恿W(xué)與相對(duì)論結(jié)合，提出著名的狄拉克方程時(shí)，一個(gè)尷尬的問(wèn)題出現(xiàn)了：方程預(yù)言了存在負(fù)能電子。這難以理解。狄拉克提出了一個(gè)天才般的設(shè)想：所謂的真空，并非空無(wú)一物，而是所有負(fù)能量狀態(tài)都已經(jīng)被電子填滿(mǎn)的“海洋”。我們平常看到的普通電子，只是在這片深不可測(cè)的“電子海”海面上游動(dòng)的少數(shù)幸運(yùn)兒。

這個(gè)圖像的一個(gè)驚人預(yù)言是：如果海中的一個(gè)電子被足夠高的能量（如γ射線）擊中，它就會(huì)躍出海面，成為一個(gè)普通電子，同時(shí)在“海”中留下一個(gè)空穴。這個(gè)空穴的行為就像一個(gè)帶正電的電子，即正電子。1932年，安德森(C. Anderson)在在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了正電子，完美驗(yàn)證了狄拉克的預(yù)言[1]。真空，第一次被證明是不空的，它是一片無(wú)形的粒子之海。

狄拉克負(fù)能電子海 圖片來(lái)源：https://courses.physics.illinois.edu/phys596/fa2023/StudentWork/Team4_Final.pdf

第三階段：量子場(chǎng)論中的“沸騰之海”

在量子電動(dòng)力學(xué)理論中，真空的圖像變得更加詭異和活躍。根據(jù)量子力學(xué)的不確定性原理，即使在絕對(duì)零度，任何物理量也在不斷漲落。在真空中，這種漲落表現(xiàn)為虛粒子對(duì)（如正負(fù)電子對(duì)、光子對(duì)）的不斷產(chǎn)生和湮滅，其速度之快，無(wú)法被直接觀測(cè)，卻會(huì)產(chǎn)生可測(cè)量的效應(yīng)。一個(gè)真實(shí)的電子在真空中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)被這些瞬間產(chǎn)生的虛粒子云所包圍和影響，就像穿了一件衣服。這會(huì)輕微改變電子的能量和磁性。

卡西米爾效應(yīng)可能是對(duì)真空能量最直接的證明[2]。如果把兩塊不帶電的金屬平板在真空中無(wú)限靠近，它們之間會(huì)莫名產(chǎn)生一股微弱的吸引力。這是因?yàn)槠桨逑拗屏怂鼈冎g空間所能容納的虛粒子波動(dòng)模式，導(dǎo)致板外的真空壓力大于板間，從而把兩塊板推到一起。這直接證明了空無(wú)一物的真空中，蘊(yùn)藏著可以做功的能量。

卡西米爾效應(yīng) 圖片來(lái)源：https://pajuhaan.medium.com/casimir-effect-vs-vacuum-energy-are-we-chasing-a-mirage-12cb94ab6db4

第四階段：萬(wàn)物質(zhì)量的賦予者——希格斯場(chǎng)

20世紀(jì)物理學(xué)的另一大難題是：為什么基本粒子會(huì)有質(zhì)量？在電弱統(tǒng)一理論中，規(guī)范對(duì)稱(chēng)性要求傳遞相互作用的粒子（如W、Z玻色子）質(zhì)量必須為零，但這與實(shí)驗(yàn)不符。

解決之道再次指向真空。物理學(xué)家希格斯等人提出，宇宙中彌漫著一種看不見(jiàn)的場(chǎng)，即希格斯場(chǎng)。與狄拉克的電子海類(lèi)似，真空中充滿(mǎn)了希格斯場(chǎng)。當(dāng)真空的對(duì)稱(chēng)性自發(fā)破缺（可以想象為無(wú)數(shù)個(gè)小磁針從雜亂無(wú)章突然轉(zhuǎn)向同一個(gè)方向），所有在“場(chǎng)海”中穿行的粒子，都會(huì)通過(guò)與希格斯場(chǎng)的相互作用而獲得慣性，即質(zhì)量[3]。

你可以把宇宙想象成一個(gè)充滿(mǎn)粘稠希格斯場(chǎng)的游泳池。像光子這樣的粒子，游泳技術(shù)高超，不受阻力（質(zhì)量為0）；而像電子、夸克等粒子，則像普通人一樣，在泳池中行動(dòng)受阻，這個(gè)“受阻”的表現(xiàn)就是它們的質(zhì)量。2012年，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，終于證實(shí)了這種賦予萬(wàn)物質(zhì)量的真空?qǐng)龅拇嬖凇Ｙ|(zhì)量，竟真的從“無(wú)”（對(duì)稱(chēng)的真空）中誕生。

希格斯有效場(chǎng) 圖片來(lái)源：https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-031-96288-2_1

第五階段：量子信息的未來(lái)——量子比特以太

對(duì)真空的探索遠(yuǎn)未結(jié)束。在量子信息科學(xué)的新視角下，一些前沿理論（如文小剛院士的“弦網(wǎng)液體”理論[4]）提出了更大膽的猜想：或許我們空間的本質(zhì)，就是一個(gè)由無(wú)數(shù)量子比特構(gòu)成的海洋，即量子以太。

在這個(gè)圖像中，我們熟悉的基本粒子和相互作用，都只是這個(gè)量子比特海洋中不同的波動(dòng)模式或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。比如，某種特定的波動(dòng)可能就是光子，某種弦狀的末端可能就是電子。如果這被證實(shí)，那將意味著時(shí)空和物質(zhì)擁有一個(gè)共同的、更深刻的量子信息起源。

結(jié)語(yǔ)

從被拋棄的以太，到狄拉克的電子海，再到沸騰的“虛粒子湯”和賦予質(zhì)量的希格斯場(chǎng)，最后到可能作為萬(wàn)物基底的“量子比特海洋”……人類(lèi)對(duì)真空認(rèn)知的每一次深化，都伴隨著物理學(xué)的巨大飛躍。

物理學(xué)最深刻的追問(wèn)：什么是最基本的實(shí)在？空間、時(shí)間、物質(zhì)、能量，它們從何而來(lái)？李政道先生曾將夸克禁閉等世紀(jì)難題與真空的性質(zhì)緊密聯(lián)系。而今天，隨著量子信息科學(xué)開(kāi)啟新的革命，對(duì)真空，特別是其可能內(nèi)稟的量子糾纏與非局域特性的研究，或許正是我們揭開(kāi)量子世界終極謎題、探尋時(shí)空和萬(wàn)物本源的那把關(guān)鍵鑰匙。

參考文獻(xiàn)：

[1] Bjorken J，Drell S. Relativistic Quantum Fields. New York：McGraw-Hill Press，1965

[2] Klimchitskaya G L，Mohideen U，Mostepanenko V M. Rev. Mod. Phys.，2009，81：1827

[3] Higgs P W. Rev. Mod. Phys.，2014，86：851

[4] 文小剛. 物理，2015，44：261

編輯：Zoey