真空里確實(shí)沒有空氣，但除此之外真的什么都沒有嗎？現(xiàn)代的物理學(xué)研究告訴我們，答案并沒有這么簡單。

1643年，當(dāng)托里拆利（Evangelista Torricelli）第一次把裝滿水銀的長玻璃管倒扣在同樣裝滿水銀的盆里，發(fā)現(xiàn)管中的水銀柱總是降到76cm高時，他意識到他在水銀柱上方創(chuàng)造了真空。這可能是人類有記載的第一次在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造的真空。真空里確實(shí)沒有空氣，但除此之外真的什么都沒有嗎？

  

托里拆利實(shí)驗(yàn)示意圖

前量子時代：以太論的提出與終結(jié)

19世紀(jì)的物理學(xué)家們并不這樣認(rèn)為。1800年，托馬斯·楊（Thomas Young）通過雙縫干涉實(shí)驗(yàn)證明了光是一種波。經(jīng)驗(yàn)告訴那時的人們，波的傳播需要介質(zhì)——水波需要水才能傳播，而人與人對話時的聲波也依賴于空氣才能傳播。既然光可以在真空中傳播，那么真空中一定存在一種可以讓光傳播的介質(zhì)。這種介質(zhì)被稱為“以太（ether）”。

人們假設(shè)以太無處不在，絕對靜止。因此當(dāng)我們相對于以太以不同的速度運(yùn)動時，測量得到的光速理應(yīng)不同。類比于水波，我們在平靜的河面上扔一塊石頭，激起的水波向我們運(yùn)動的速度是v。那么如果河水以速度w朝向我們流來，這時再往河里扔一塊石頭，水波的速度就是v + w。這就是運(yùn)動的相對性原理——一個從伽利略（Galileo Galilei）之后就深入人心的概念，也是經(jīng)典力學(xué)的根基。

然而也正是這一推論導(dǎo)致了以太的終結(jié)。它起源于邁克爾遜（Albert Michelson）和莫雷（Edward Morley），完成于愛因斯坦。從1881年開始，邁克爾遜和莫雷等人在不同的時間和地點(diǎn)反復(fù)測量了光速，而測量得到的光速在誤差范圍內(nèi)總是一樣的，并不隨地球的運(yùn)動而變化。這一結(jié)果暗示以太可能并不存在。1905年，在《論動體的電動力學(xué)》（Zur Elektrodynamik bewegter Körper）這篇論文中，愛因斯坦首次徹底拋棄了以太的概念，直接提出光速不變原理，建立了狹義相對論。狹義相對論以最簡單的方式解釋了邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)，并給出了橫向多普勒效應(yīng)（transverse Doppler effect）、高速運(yùn)動粒子的半衰期延長等諸多理論預(yù)言。隨著這些預(yù)言在實(shí)驗(yàn)上被逐一驗(yàn)證，人們相信狹義相對論是正確的——以太并不存在。

所以看來真空中確實(shí)什么都沒有，就像它的名字里暗示的那樣是“真正的虛空”？答案并不是這么簡單。就像邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)對“真空中存在絕對靜止的以太”這一說法提出了挑戰(zhàn)一樣，量子理論的建立對“真空中什么都沒有”這一看法也提出了挑戰(zhàn)。

原子譜線：“真空” 可能不“空”

 

氫原子的巴爾末譜線

證據(jù)來源于對原子譜線的觀察。早在19世紀(jì)，人們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)加高電壓的氣體可以發(fā)光。氣體原子通過高電壓獲得了能量，再通過發(fā)光的方式釋放能量。這就是霓虹燈的基本原理。不同原子發(fā)射的光顏色不同，這些特定頻率的光構(gòu)成了原子的發(fā)射光譜。氫原子作為元素周期表中最簡單的原子，僅由一個質(zhì)子和一個電子構(gòu)成，其光譜被研究得最為廣泛。氫原子在可見光范圍內(nèi)譜線的頻率最早由巴爾末（Johann Balmer）于1885年用一個經(jīng)驗(yàn)公式總結(jié)：

 

但當(dāng)時的人們并不知道這公式背后的物理意義。直到1913年，玻爾模型首次成功解釋了這一公式。但玻爾模型是一個半經(jīng)典理論，面臨著各種困難。1926年，薛定諤（Erwin Schrödinger）提出薛定諤方程，從完全量子力學(xué)的角度解釋了氫原子的光譜。電子受吸引的庫侖力被束縛在質(zhì)子附近，處于“束縛態(tài)”（bound state）。這些束縛態(tài)具有確定而分立的能量，被稱作能級（energy level）。通過求解薛定諤方程，可以準(zhǔn)確預(yù)言這些能級的能量。巴爾末公式所總結(jié)的處于可見光區(qū)的譜線的頻率，就對應(yīng)著處于高能級的電子向第二能級躍遷時所放出的光的頻率。

 

氫原子的能級

對氫原子譜線的解釋是量子力學(xué)的巨大成功。但仔細(xì)考察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們還是能發(fā)現(xiàn)諸多薛定諤方程無法被解釋的瑕疵：

• 薛定諤方程只能復(fù)制玻爾模型的結(jié)果，卻不能解釋氫原子能級中更精細(xì)的結(jié)構(gòu)。如果用更精密的實(shí)驗(yàn)放大觀察之前得到的譜線，會發(fā)現(xiàn)每條譜線實(shí)際上都由很多間距很小的譜線所組成。
• 在薛定諤方程的理論框架下，處于能級上的電子無論能量多高，如果不受外界擾動就會一直停留在該能級上，并不會自發(fā)躍遷到更低的能級放出光子。但在實(shí)驗(yàn)中，即便在真空中，處于高能級的電子仍然會以一定概率躍遷到低能級上。這一現(xiàn)象被稱為原子的自發(fā)輻射（spontaneous radiation）。

難道真空中真的會有一些東西擾動處于高能級的電子嗎？在接下來的兩節(jié)我們會分別解決這兩個問題。但對于處在20世紀(jì)20年代的物理學(xué)家們而言，這確實(shí)是難以理解的現(xiàn)象。物理學(xué)家費(fèi)曼（Richard Feynman）曾經(jīng)說過這樣一個故事：

我去過麻省理工學(xué)院（讀本科），去過普林斯頓大學(xué)（讀博士）。回到家之后，我的父親說：“長期以來我一直想搞明白一件事，但一直沒搞懂。兒子，既然你已經(jīng)接受了這么多科學(xué)教育，我希望你能解釋給我聽。”我說好。

他說：“他們說，當(dāng)原子從一個狀態(tài)變到另一個狀態(tài)的時候，從一個激發(fā)態(tài)變到低能態(tài)的時候，會發(fā)光。這件事我能明白。”

我說：“確實(shí)是這樣的。”

“然后，光是一種粒子。他們應(yīng)該是稱之為光子。”

“是的。”

“既然原子從激發(fā)態(tài)到低能態(tài)時出一個光子，那么處于激發(fā)態(tài)的原子里一定有一個光子了？”

我說：“呃，并不是這樣。”

他說：“既然如此，那你是怎么理解這件事情的。一個光子原先并不在原子里面，但原子還是能釋放一個光子？”

我思考了幾分鐘，然后說：“對不起。我不知道。我沒法向你解釋這件事情。”

我的父親非常失望。我接受了這么多年的教育，結(jié)果竟然是這樣的糟糕。

狄拉克：真空即是電子海

第一個成功考慮相對論效應(yīng)，解釋了原子光譜中的精細(xì)結(jié)構(gòu)（fine structure）的人是狄拉克（Paul Dirac）。1928年，他提出了薛定諤方程的相對論版本來描述電子的運(yùn)動：

 

這個方程被稱為狄拉克方程。更為重要的是，這個方程以一種石破天驚的方式預(yù)言了正電子的存在，并暗示真空中可能有著豐富的物理現(xiàn)象。1933年，薛定諤和狄拉克因?yàn)閮蓚�以他們名字命名的方程共享了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎。

 

狄拉克電子海中電子和空穴結(jié)合的示意圖

狄拉克發(fā)現(xiàn)這個方程的解總是成對存在。每一個能量為E的量子態(tài)，一定對應(yīng)著一個能量為-E的量子態(tài)。理論上說，一個電子總是可以釋放無窮多的能量到達(dá)E = -∞的狀態(tài)，這顯然是十分荒謬的。在現(xiàn)實(shí)世界中，我們從來沒有觀測到任何一個電子輻射出無窮多的能量。為了解決這一疑難，狄拉克提出了一個天才的解釋：電子服從泡利不相容原理（Pauli exclusion principle），即不能有兩個電子同時占據(jù)一個量子態(tài)。如果所有負(fù)能態(tài)都已經(jīng)被電子完全占據(jù)了，那么泡利不相容原理就可以阻止處于正能態(tài)的電子進(jìn)入負(fù)能態(tài)。因此在狄拉克的理論中，真空并不是什么都沒有，而是充滿了負(fù)能態(tài)電子的電子海洋！

這個理論最大的成功之處在于它準(zhǔn)確預(yù)言了正電子的存在：如果由于某些原因，一個能量為-|E| 的電子離開了負(fù)能電子海，在電子海中留下了一個空穴。那么一個能量為 |E| 的正能態(tài)電子將會填上這個空穴，并釋放能量 2|E|，使系統(tǒng)重新回到真空：電子（負(fù)電荷，|E|） + 空穴 = 真空（電中性） + 2|E|。如此看來，空穴等效地?fù)碛幸粋�正電荷以及正能量。這個空穴就是所謂正電子，它是電子的反粒子。1932年，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家安德森（Carl Anderson）就在云室里發(fā)現(xiàn)了正電子的蹤跡。他也因此獲得1936年的諾貝爾物理學(xué)獎。

 

世界上第一張正電子的云室照片

但狄拉克方程也有其自己的問題。如果真空中充滿了大量電子，那我們?yōu)楹螐膩頉]有感受到這些負(fù)電荷所帶來的庫侖力呢？為了解決這個問題，狄拉克必須假設(shè)真空原本就是一個充滿均勻的正電荷背景，用來抵消電子海的負(fù)電荷。這個解釋顯然非常不自然。除此之外，由于電子海中無數(shù)負(fù)電荷的相互排斥，電子海的能量并非為零，而是無窮大。雖然在實(shí)驗(yàn)室中我們測量得到的任何能量都是與真空能的差值，并不能直接測量無窮大的真空能量，這仍然是一個令人難以置信的結(jié)論。

一籌莫展的物理學(xué)家們就此沉寂了20年。第二次世界大戰(zhàn)期間迅速發(fā)展的雷達(dá)技術(shù)，使得戰(zhàn)后的物理學(xué)家們得以以前所未有的精度測量原子譜線。1947年，蘭姆（Willis Lamb）發(fā)現(xiàn)氫原子的2S1/2和2P1/2兩個能級的能量差有極小（1GHz）的差別。這個發(fā)現(xiàn)被稱作蘭姆位移（Lamb shift）。但是根據(jù)狄拉克方程的預(yù)言，這兩個能級的能量應(yīng)該是相同的。敏銳的物理學(xué)家們立刻意識到其中的原因來源于真空！ 一個全新的、統(tǒng)一的量子理論已經(jīng)呼之欲出。

 

量子電動力學(xué)：真空中充滿了量子漲落

新的量子理論被稱之為量子電動力學(xué)（quantum electrodynamics），它統(tǒng)一了量子力學(xué)、狹義相對論和電動力學(xué)，成功地解釋了原子輻射的疑難，向人們揭示了真空的奧秘。

顧名思義，在量子電動力學(xué)中，電磁波不再是經(jīng)典的，而是量子化的。量子力學(xué)導(dǎo)致了量子化的電磁場具有很多驚奇的性質(zhì)。量子系統(tǒng)所普遍具有的一個特性是服從海森堡不確定性關(guān)系（Heisenberg’s uncertainty principle）——一個粒子不能同時有確定的能量和速度（動量）：xp ≥ ħ/2。現(xiàn)在讓我們考慮一個固定在彈簧一端的粒子。中學(xué)物理告訴我們，粒子的能量（機(jī)械能）由兩部分組成：動能和彈性勢能。當(dāng)粒子靜止于彈簧的平衡位置時能量最低，因?yàn)榇藭r粒子的動能和彈性勢能均為零。可是在量子力學(xué)中，由于不確定性原理，粒子不能同時擁有確定的位置和速度！ 如果我們知道粒子處于平衡位置，那么由于不確定性原理，粒子就會有不確定的速度，這就意味著粒子的動能不為零。另一方面，如果我們知道粒子動能為零處于靜止，那么粒子的位置就不確定，這意味著粒子的勢能一定不為零。可以證明，無論我們?nèi)绾闻�力，這個粒子總是會有一個非零的總能量。這一能量被稱為零點(diǎn)能（zero point energy）。在量子化的電磁場中，空間中有無數(shù)類似的振動模式，所以量子場具有無窮大的零點(diǎn)能。

零點(diǎn)能可以解釋原子的自發(fā)輻射現(xiàn)象。雖然真空中不存在任何一個光子，但由于零點(diǎn)能，真空中還是存在電磁場。這個現(xiàn)象被稱為“量子漲落（quantum fluctuation）”。量子漲落的電磁場與處于高能級的原子相互作用，使其受擾動而有一定的幾率放出光子衰變到基態(tài)。這便是自發(fā)輻射的來源——高能電子并不是真正“自發(fā)” 輻射出光子，而是受到真空中量子漲落電磁場的擾動才輻射出光子。

蘭姆位移的原因也得以解釋。由于量子漲落的影響，電子相對原子核的位置也有了額外的漲落。這使電荷在空間中的分布變得更加分散，進(jìn)而電子感受到的來自原子核的正電荷吸引也比原先更少。由于處于S能級的電子更靠近原子核，受到此種機(jī)制的影響更強(qiáng)，因此其相比P能級的電子能量更高。

蘭姆位移的發(fā)現(xiàn)催生了量子電動力學(xué)的產(chǎn)生，而量子場作為理論物理學(xué)的基本研究對象延續(xù)至今，這門學(xué)科被稱作量子場論（quantum field theory）。在量子場論中，一切物質(zhì)都是像電磁場一樣的場，在時空中不斷振動。狄拉克方程依舊成立，但它不再像以前那樣描述一個電子，而是描述電子所對應(yīng)的場，被稱為電子場。而我們看到的所謂“電子”，不過是電子場振動的一個波包。不知你是否有過這樣的疑問：為什么我們在宇宙各處看到的電子總是一模一樣？這是因?yàn)樗�有電子都是電子場的振動產(chǎn)生的波包。

狄拉克評價說：“（量子力學(xué)）二十年來都毫無進(jìn)展，直到蘭姆位移的發(fā)現(xiàn)和解釋。這根本性地改變了理論物理學(xué)的面貌。”蘭姆本人獲得了1955年諾貝爾物理學(xué)獎。因?yàn)榘l(fā)明了量子電動力學(xué)，朝永振一郎、施溫格（Julian Schwinger）和費(fèi)曼三人共享了1965年諾貝爾物理學(xué)獎。

 

“真空”不“空”的可觀測影響：卡西米爾效應(yīng)

讀到這里，你可能會反駁說：真空的定義就是什么都沒有，一個充滿了量子漲落的空間從定義上就不能被稱之為真空。但對于物理學(xué)家來說，真空應(yīng)該具有一個可操作性的定義，而不是憑空設(shè)想：給定一個原先存在物質(zhì)的空間，當(dāng)我們逐漸拿走其中的物質(zhì)（即各種粒子）后，最終得到的東西就是真空。用量子力學(xué)中的說法，真空就是“基態(tài)（ground state）”，即能量最低的狀態(tài)。在一個被不確定性原理所支配的時空里，有一些東西（零點(diǎn)能）是我們永遠(yuǎn)也拿不走的。

現(xiàn)在我們知道真空中充滿了電磁場的量子漲落，這些量子漲落帶來一個無窮大的真空零點(diǎn)能。正是這些量子漲落與原子的相互作用，導(dǎo)致高能電子可以輻射光子從而降低能量。這聽起來很酷，但是真空中的量子漲落能給我們帶來什么新的理論預(yù)言嗎？

答案是肯定的。其中最著名的一個就是卡西米爾效應(yīng)。1948年，卡西米爾（Hendrik Casimir）預(yù)言真空中兩個不帶電荷的金屬板會因?yàn)殡姶艌龅牧孔訚q落的影響而感受到吸引力。力的大小隨金屬板距離的四次方成反比：

 

在經(jīng)典力學(xué)中，這一結(jié)論并沒有那么難以理解。在一個水盆中懸吊兩個金屬板，然后搖晃水盆產(chǎn)生水波，慢慢地就可以看見懸吊的金屬板逐漸靠近。原因是水波會沖擊金屬板朝向水波前進(jìn)的方向移動，而金屬板間的水波振動幅度遠(yuǎn)小于板外，導(dǎo)致金屬板受到一個凈推力，等效相當(dāng)于金屬板間的吸引力。事實(shí)上，舊時經(jīng)驗(yàn)豐富的水手們早就知道，在無風(fēng)且有波浪的海面上，會有“一股神奇的力量”拉近兩個距離很近的船。

 

水波里的卡西米爾效應(yīng)

可是在真空里，并沒有外力造成類似的水波。是什么導(dǎo)致了金屬板間的吸引力？自然是量子漲落！ 金屬板外允許存在的電磁波振動模式不受限制，而板間的模式受邊界條件的限制，只有駐波（standing wave）才允許存在。（波形不移動，只上下振動的波被稱為駐波。琴弦兩端固定，它的振動就是駐波的一個例子。）雖然真空中并不真正存在這些振動模式所對應(yīng)的光子，但由于量子漲落的存在，這些模式確實(shí)有非零的零點(diǎn)能。減小金屬板間的距離，就會降低系統(tǒng)的總零點(diǎn)能，這等效意味著金屬板間存在吸引力。（這就像舉高一個啞鈴，提高了啞鈴的重力勢能，就等效意味著啞鈴受到豎直向下的重力。）

 

真空兩金屬板間可能的電磁波的振動模式。他們導(dǎo)致了金屬板間的吸引力

卡西米爾效應(yīng)預(yù)言的吸引力是如此微弱，以至于大部分情況下都可以忽略不計。直到1997年，物理學(xué)家們才有足夠精確的手段可以直接證實(shí)卡西米爾效應(yīng)的存在。

掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope）下可以看到一個金屬小球被放在了原子力顯微鏡（atomic force microscope）懸臂上。當(dāng)金屬板從下方接近小球時，測量發(fā)現(xiàn)小球收到金屬板吸引，懸臂進(jìn)一步向下偏折。計算得到的吸引力與卡西米爾效應(yīng)的預(yù)言相符合。

結(jié)語

真空里有什么？真空里有量子漲落，導(dǎo)致原子的自發(fā)輻射、蘭姆位移還有卡西米爾效應(yīng)等一系列可觀測的物理效應(yīng)。某種程度上說，整個20世紀(jì)的高能物理學(xué)，就是物理學(xué)家們在試圖回答“真空中有什么”這個問題。你可能還聽過“希格斯真空”（Higgs vacuum）和“假真空”（false vacuum）等概念。是的，真空中還有更豐富的物理現(xiàn)象，連接著質(zhì)量甚至宇宙的起源。限于篇幅和作者能力，不能在本文中展開細(xì)說。

很多物理學(xué)家認(rèn)為，量子場的出現(xiàn)實(shí)際上意味著“以太”概念的復(fù)活，只不過現(xiàn)在的“以太”被物理學(xué)家們精巧地包裝了起來，不再和狹義相對論原理相違背。但這絕不代表新“以太”就是安全的。在廣義相對論中，為了解釋宇宙的加速膨脹，必須要在愛因斯坦方程中加入一項宇宙學(xué)常數(shù)（cosmological constant），它對應(yīng)著彌散在宇宙間的能量。人們并不知道這一能量的來源，因此它也被稱為“暗能量（dark energy）”。人們希望暗能量就是量子場的零點(diǎn)能，可是用量子場的零點(diǎn)能去估計暗能量的大小，得到的數(shù)字高出天文學(xué)觀測結(jié)果幾十個數(shù)量級。這一差距被稱為“宇宙學(xué)常數(shù)問題”。暗能量是什么？為什么用零點(diǎn)能估計暗能量有這么大的差距？這些問題至今仍然還是籠罩在物理學(xué)家們頭上的烏云。