什么是真空？一般人能想到的就是一塊連空氣都沒(méi)有的空間。但對(duì)量子力學(xué)稍作了解的話你會(huì)知道，即使空間中什么都沒(méi)有，但依然存在量子漲落，正所謂“真空不空”。那理論上是否存在絕對(duì)意義上的真空呢？現(xiàn)如今科學(xué)界對(duì)真空的理解又到了何種程度？這期我們把真空分成七個(gè)層次逐一解析，看看你對(duì)真空的理解到了哪一層。
第一層：真空 —— 沒(méi)有粒子
生活中涉及真空的場(chǎng)景其實(shí)有很多，比如真空包裝、真空保溫杯等等。工業(yè)上只要低于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的環(huán)境都可以稱之為“真空”，只是根據(jù)氣壓不同它們可以劃分為低真空、高真空、超高真空等不同的真空程度。比如中學(xué)時(shí)學(xué)過(guò)的“馬德堡半球?qū)嶒?yàn)”，那個(gè)很多匹馬都拉不開(kāi)的金屬球它里面就是一種高真空環(huán)境。
在大部分人想象中，只要我們把容器中的所有空氣都抽走，一點(diǎn)不留，那應(yīng)該就是真真空了。但是這種真空只能說(shuō)是沒(méi)有空氣，并不代表真的空無(wú)一物。就像我們會(huì)把大氣層以外的太空等同于真空環(huán)境，但實(shí)際上，太空中還存在宇宙射線等各種輻射和粒子，至少你能看到光就說(shuō)明這里面肯定有光子。即便你隔絕了所有外界輻射（包括宇宙微波背景輻射），那容器本身也會(huì)存在輻射。畢竟只要不是絕對(duì)零度，所有東西理論上都存在熱輻射。
所以呢，假如有一個(gè)完全封閉、里面一個(gè)粒子都沒(méi)有，而且自身也不產(chǎn)生任何輻射的理想環(huán)境，那它確實(shí)算得上電磁學(xué)意義的絕對(duì)真空。只是這樣的真空，現(xiàn)實(shí)中顯然不存在。
第二層：真空不空 —— 虛粒子
雖然現(xiàn)實(shí)中不存在電磁學(xué)意義上的真空，但假設(shè)有一處這樣的真空存在，它里面真的就什么都沒(méi)有嗎？當(dāng)然不是，實(shí)粒子雖然沒(méi)有，但它里面還有虛粒子。
虛粒子是個(gè)什么東西？
相信不管你對(duì)量子力學(xué)了解有多少，“海森堡不確定性原理”你肯定有聽(tīng)過(guò)。它可以說(shuō)是量子力學(xué)最核心、最底層的原理之一。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)它指的是：對(duì)于一些特定的物理量（算符不對(duì)易的共軛量），比如位置和動(dòng)量、時(shí)間和能量，我們不可能同時(shí)獲知兩者的精確數(shù)值。
拿位置和動(dòng)量來(lái)說(shuō)，當(dāng)我們精確測(cè)量出某個(gè)粒子的位置時(shí)，它的動(dòng)量就無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，反之亦然。注意：這個(gè)“無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量”不是說(shuō)技術(shù)達(dá)不到，也不是被智子鎖死了，而是理論上就不可能。這也是為什么該原理的名字從一開(kāi)始的“測(cè)不準(zhǔn)原理”改成了后來(lái)的“不確定性原理”。
同理，對(duì)于時(shí)間和能量這一對(duì)物理量，我們也無(wú)法同時(shí)確定。如果我們把時(shí)間限定在一個(gè)極短的尺度內(nèi)（時(shí)間精確），那么能量此時(shí)就變得非常不確定了。這個(gè)現(xiàn)象即便對(duì)于真空來(lái)說(shuō)也是一樣：在極短時(shí)間內(nèi)，真空的能量可能并不是 0，一些能量會(huì)憑空出現(xiàn)，表現(xiàn)出來(lái)就是真空中會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生一對(duì)正反粒子，這對(duì)憑空產(chǎn)生的粒子我們稱其為虛粒子。
為什么是“虛”呢？因?yàn)樗煌Ａ粼诩埫嫔?。就是說(shuō)計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，如果假想這里有倆粒子存在，那么整個(gè)過(guò)程描述起來(lái)會(huì)非常方便。而且關(guān)鍵是這倆粒子很快就會(huì)相互湮滅消失，憑空出現(xiàn)的能量又會(huì)還給真空，一切就和沒(méi)發(fā)生過(guò)一樣，這就是所謂的“真空量子漲落（quantum fluctuation）”。從這可以看出，“能量守恒”其實(shí)也不是鐵律，它更多是從整體上來(lái)說(shuō)的。
所以呢，宏觀（時(shí)間尺度拉長(zhǎng)）上來(lái)看，真空就是真空，里面沒(méi)有粒子（實(shí)粒子）；但從微觀（時(shí)間尺度縮短）來(lái)看，真空中充滿了量子漲落產(chǎn)生的虛粒子，因此我們才說(shuō)“真空不空”。
第三層：真空不空 —— 量子場(chǎng)
你可能會(huì)有疑問(wèn)：“虛粒子不是計(jì)算中假想的東西嗎，那能算真實(shí)存在嗎？”
沒(méi)錯(cuò)，虛粒子只是一種假想出來(lái)的直觀概念，并不是真實(shí)存在的實(shí)粒子。但是如果就其物理意義而言，這中間涉及到的相互作用是的的確確真實(shí)存在的。因?yàn)樘摿Ｗ訉?duì)實(shí)粒子產(chǎn)生的影響（比如蘭姆位移、卡西米爾效應(yīng)等）是可以被實(shí)打?qū)嵦綔y(cè)到的。所以可以認(rèn)為，虛粒子真的存在，只不過(guò)不是以我們認(rèn)為的那種形態(tài)存在。
其實(shí)當(dāng)量子力學(xué)發(fā)展到下半場(chǎng)，物理學(xué)家已經(jīng)將量子力學(xué)、狹義相對(duì)論、經(jīng)典場(chǎng)論結(jié)合到了一起，整出了個(gè)集大成者的量子場(chǎng)論。在量子場(chǎng)論中，無(wú)論是虛粒子還是實(shí)粒子，它們都可以看做是場(chǎng)中出現(xiàn)的“漣漪”（量子場(chǎng)的激發(fā)）。區(qū)別只是：實(shí)粒子可以持續(xù)存在并且傳播，是能夠被直接探測(cè)到的；而虛粒子只是個(gè)短命鬼，一般只出來(lái)打個(gè)醬油就回去了，我們只能通過(guò)間接現(xiàn)象來(lái)確定其存在。
所以，從量子場(chǎng)的角度來(lái)看，不管你是實(shí)粒子還是虛粒子，真空始終伴隨著一個(gè)東西 —— 量子場(chǎng)。
第四層：真空不空 —— 相對(duì)的真空
就像相對(duì)論中沒(méi)有絕對(duì)的時(shí)間，對(duì)空間來(lái)說(shuō)真空或許也不是絕對(duì)的。
隨著量子場(chǎng)論日趨成熟，物理學(xué)家開(kāi)始考慮如何將廣義相對(duì)論融入進(jìn)去。就在探索彎曲時(shí)空的量子場(chǎng)論時(shí)，物理學(xué)家在理論上發(fā)現(xiàn)了一種可能存在的奇怪現(xiàn)象：當(dāng)你在一個(gè)絕對(duì)零度的真空中加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)此時(shí)的真空竟然有了溫度！但這個(gè)溫度僅限于你的視角，對(duì)于外界觀測(cè)者來(lái)說(shuō)，這片空間仍然是沒(méi)有溫度的真空（除了虛粒子外沒(méi)有任何輻射）。這種溫度取決于參照系選擇的奇怪現(xiàn)象稱為“安魯效應(yīng)（Unruh effect）”。
在廣義相對(duì)論中，加速度和引力場(chǎng)是等效的（等效原理）。那在一些超強(qiáng)的引力場(chǎng)附近（比如說(shuō)黑洞），它就可能會(huì)因?yàn)榘掺斝?yīng)而使自身產(chǎn)生熱輻射，也就是黑洞有了溫度。如果黑洞有溫度，那它勢(shì)必會(huì)向外釋放能量（實(shí)粒子），這些能量哪來(lái)的呢？沒(méi)錯(cuò)，虛粒子轉(zhuǎn)化來(lái)的。這便是“霍金輻射”的真正由來(lái)。
所以呢，真空空不空（里面是只有虛粒子，還是有實(shí)粒子），這甚至完全取決于你如何選擇參照系。
多說(shuō)一點(diǎn)，平時(shí)我們討論真空，為什么不額外考慮參照系問(wèn)題呢？因?yàn)殡m然理論上沒(méi)有一個(gè)“絕對(duì)參照系”（牛頓的絕對(duì)時(shí)空），但是有一個(gè)東西確實(shí)比較特殊，在考慮宇宙演化等大尺度問(wèn)題時(shí)經(jīng)常會(huì)拿來(lái)當(dāng)做“參照標(biāo)準(zhǔn)”，它就是宇宙微波背景輻射（共動(dòng)坐標(biāo)系）。經(jīng)常有人問(wèn)“宇宙年齡的時(shí)間是相對(duì)誰(shuí)來(lái)說(shuō)的”，這里你就可以理解成是相對(duì)于背景輻射來(lái)說(shuō)的，它就是宇宙自己的時(shí)間，也叫“宇宙時(shí)（Cosmic time）”。由于地球的引力場(chǎng)非常小，相對(duì)論的鐘慢效應(yīng)非常微弱，所以我們可以把它和背景輻射放入同一個(gè)參照系。真空也是如此，通常情況下安魯效應(yīng)對(duì)真空的影響非常有限，甚至根本探測(cè)不到（霍金輻射至今也未被驗(yàn)證）。
第五層：真假真空 —— 假真空衰變
剛才我們說(shuō)真空中存在著各種量子場(chǎng)，對(duì)于絕大多數(shù)量子場(chǎng)來(lái)說(shuō)，它們都有個(gè)最低能量態(tài)，叫做“基態(tài)”。處于基態(tài)的場(chǎng)能量最低，也最穩(wěn)定。但我們的宇宙中有一種場(chǎng)，目前處于的并不是穩(wěn)定的基態(tài)，它就是賦予了基本粒子質(zhì)量的希格斯場(chǎng)。雖然希格斯場(chǎng)的狀態(tài)目前已經(jīng)維持了 138 億年，但既然它不在最穩(wěn)定的基態(tài)，那說(shuō)明這種穩(wěn)定只是暫時(shí)的（亞穩(wěn)態(tài)），它隨時(shí)可能掉落到能量更低的狀態(tài)上。
所以你可以認(rèn)為，目前宇宙中的真空其實(shí)都是“假真空”。也許有一天，某處希格斯場(chǎng)的勢(shì)能突然落到了更低的態(tài)上（空間發(fā)生相變），此時(shí)“假真空”便會(huì)成為“真真空”。之后，這股勢(shì)頭將會(huì)以近光速向四面八方蔓延，這種現(xiàn)象被稱為“假真空衰變（False vacuum decay）”。真空衰變有點(diǎn)類似二向箔的效果，整個(gè)空間以光速向二維跌落，并且不會(huì)停止。但和二向箔不同的是，真空衰變會(huì)使得很多基本粒子失去質(zhì)量，宇宙萬(wàn)物將因此灰飛煙滅，整個(gè)物理學(xué)也將被徹底改寫(xiě)。
總之，當(dāng)希格斯場(chǎng)跌落到更低的基態(tài)時(shí)，空間將變成真正的真真空。
第六層：不同真空 —— 弦論中的真空
雖然現(xiàn)如今量子場(chǎng)論足以應(yīng)對(duì)大部分情況，但是在面對(duì)一些極端問(wèn)題時(shí)，我們不得不寄希望于未來(lái)的終極理論（萬(wàn)物理論，ToE）。作為終極理論候選者中的明星，弦理論雖然一直飽受爭(zhēng)議，但它從數(shù)學(xué)角度為我們理解真空乃至整個(gè)宇宙提供了全新的視角。
當(dāng)年在研究超弦理論的過(guò)程中，弦論學(xué)家們發(fā)現(xiàn)我們的世界應(yīng)該是十維的?？墒菑南鄬?duì)論來(lái)說(shuō)，就算把時(shí)間算上這也才四維（三維空間加一維時(shí)間構(gòu)成四維時(shí)空），另外的六維去哪了？正當(dāng)弦論學(xué)家們一籌莫展的時(shí)候，華裔數(shù)學(xué)家丘成桐提出的“卡拉比-丘流形（Calabi–Yau manifold）”讓大家眼前一亮。很快，他們搞出了一篇名為《超弦的真空結(jié)構(gòu)》的論文。
弦論學(xué)家們認(rèn)為：由卡拉比-丘流形構(gòu)成的卡拉比-丘空間，它的維度不同于普通的三維空間，卡拉比-丘的維度是有大小的（緊致化），并不能無(wú)限延伸。之前多出來(lái)的六個(gè)維度之所以找不到，正是因?yàn)樗鼈凃榭s在了微觀的、小到普朗克尺度的卡拉比-丘空間中。
原本一切看似非常完美，但不出意外的話意外就要出現(xiàn)了：這個(gè)卡拉比-丘流形并非只有一種，目前認(rèn)為它的數(shù)量即便不是無(wú)限多，那也是個(gè)相當(dāng)龐大的天文數(shù)字。這些不同種類的卡拉比-丘流形會(huì)形成具有不同物理定律的獨(dú)特空間，而我們的宇宙屬于其中的哪一種，沒(méi)有人知道。弦論的這一怪異結(jié)果似乎從另一方面預(yù)示著多元宇宙或許真的存在。所以呢，在這些不同的宇宙中，它們有著不同的物理定律，包括真空的概念也不盡相同。
第七層：真空的終結(jié) —— 虛無(wú)
其實(shí)在引入卡拉比-丘流形之前，弦論學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有些額外維度只能存在于微觀（緊致化）。由于微觀上存在量子不確定性，這些額外維似乎也不能穩(wěn)定存在。
1982 年，在一篇討論“卡魯扎-克萊因空間不穩(wěn)定性”的論文中，后來(lái)的“M 理論之父”愛(ài)德華?威騰提出了一種比“假真空衰變”更可怕的衰變。威騰發(fā)現(xiàn)，在卡魯扎-克萊因理論描述的真空中，當(dāng)額外維度一旦縮小到超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)，真空會(huì)坍縮成一個(gè)點(diǎn)，此時(shí)維度將不再存在，這里就是真空的終結(jié)。
不同于黑洞那種四維時(shí)空的引力奇點(diǎn)，這個(gè)衰變形成點(diǎn)雖然剛開(kāi)始是個(gè)點(diǎn)，但它會(huì)以光速迅速膨脹變大。更神奇的是：雖然它會(huì)變大，但因?yàn)樗旧硪呀?jīng)失去了維度，所以對(duì)我們來(lái)說(shuō)它不管變多大，仍然是一個(gè)“點(diǎn)”。
這就是卡魯扎-克萊因真空衰變的可怕之處：相比黑洞的奇點(diǎn)，它不只是終結(jié)了時(shí)空，同時(shí)還能讓這種終結(jié)向四周圍蔓延；而相比假真空衰變，這種衰變不是讓真空的狀態(tài)發(fā)生了改變，而是直接“消滅”了真空！
如果說(shuō)宇宙大爆炸形成的空間只是狹義上的我們熟悉的空間，那么“空間的終結(jié)”意味著就連廣義上的任何形式的空間都將不復(fù)存在。難道這就是傳說(shuō)中的“虛無(wú)”？
論文 & 綜述
[1] P. Candelas a b, Gary T. Horowitz, Andrew Strominger, Edward Witten. Vacuum configurations for superstrings. Nuclear Physics B (1985). 258:46-74
[2] Edward Witten. Instability of the Kaluza-Klein vacuum. Nuclear Physics B (1982). 195(3):481-492
文章 & 新聞
[1] WIKIPEDIA: False vacuum
[2] WIKIPEDIA: Calabi-Yau manifold
[3] WIKIPEDIA: Compactification_(physics)
[4] WIKIPEDIA: Kaluza–Klein_theory
[5] blog.sciencenet.cn/blog-677221-1342155.html
[6] WIRED: How the Physics of Nothing Underlies Everything
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：Linvo 說(shuō)宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo
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