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

提起真空，你可能會想到空無一物的瓶子，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有。

但物理學(xué)家會告訴你，事情遠(yuǎn)非如此簡單。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，我們就來聊聊人們認(rèn)識真空的幾個階段。

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)整個宇宙空間都充滿了一種看不見、摸不著的物質(zhì)——以太（Ether）。當(dāng)時的真空，其實就是充滿以太的空間。

然而，著名的邁克爾遜-莫雷實驗試圖探測地球相對于以太風(fēng)的運動，卻得到了“零結(jié)果”。這朵烏云催生了愛因斯坦的狹義相對論。愛因斯坦指出，光速不變，電磁場本身就是物質(zhì)，無需以太這種媒介。于是，經(jīng)典的以太概念被拋棄，真空似乎又回到了空無一物的狀態(tài)。

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

邁克爾遜-莫雷實驗 圖片來源：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)與相對論結(jié)合，提出著名的狄拉克方程時，一個尷尬的問題出現(xiàn)了：方程預(yù)言了存在負(fù)能電子。這難以理解。狄拉克提出了一個天才般的設(shè)想：所謂的真空，并非空無一物，而是所有負(fù)能量狀態(tài)都已經(jīng)被電子填滿的“海洋”。我們平常看到的普通電子，只是在這片深不可測的“電子海”海面上游動的少數(shù)幸運兒。

這個圖像的一個驚人預(yù)言是：如果海中的一個電子被足夠高的能量（如γ射線）擊中，它就會躍出海面，成為一個普通電子，同時在“?！敝辛粝乱粋€空穴。這個空穴的行為就像一個帶正電的電子，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，它是一片無形的粒子之海。

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

第三階段：量子場論中的“沸騰之海”

在量子電動力學(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（如正負(fù)電子對、光子對）的不斷產(chǎn)生和湮滅，其速度之快，無法被直接觀測，卻會產(chǎn)生可測量的效應(yīng)。一個真實的電子在真空中運動時，會被這些瞬間產(chǎn)生的虛粒子云所包圍和影響，就像穿了一件衣服。這會輕微改變電子的能量和磁性。

卡西米爾效應(yīng)可能是對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限靠近，它們之間會莫名產(chǎn)生一股微弱的吸引力。這是因為平板限制了它們之間空間所能容納的虛粒子波動模式，導(dǎo)致板外的真空壓力大于板間，從而把兩塊板推到一起。這直接證明了空無一物的真空中，蘊藏著可以做功的能量。

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

第四階段：萬物質(zhì)量的賦予者——希格斯場

20世紀(jì)物理學(xué)的另一大難題是：為什么基本粒子會有質(zhì)量？在電弱統(tǒng)一理論中，規(guī)范對稱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，但這與實驗不符。

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的場，即希格斯場。與狄拉克的電子海類似，真空中充滿了希格斯場。當(dāng)真空的對稱性自發(fā)破缺（可以想象為無數(shù)個小磁針從雜亂無章突然轉(zhuǎn)向同一個方向），所有在“場海”中穿行的粒子，都會通過與希格斯場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充滿粘稠希格斯場的游泳池。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，在泳池中行動受阻，這個“受阻”的表現(xiàn)就是它們的質(zhì)量。2012年，大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，終于證實了這種賦予萬物質(zhì)量的真空場的存在。質(zhì)量，竟真的從“無”（對稱的真空）中誕生。

希格斯有效場 圖片來源：https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-031-96288-2_1

第五階段：量子信息的未來——量子比特以太

對真空的探索遠(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)，就是一個由無數(shù)量子比特構(gòu)成的海洋，即量子以太。

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

結(jié)語

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，最后到可能作為萬物基底的“量子比特海洋”……人類對真空認(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：什么是最基本的實在？空間、時間、物質(zhì)、能量，它們從何而來？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)開啟新的革命，對真空，特別是其可能內(nèi)稟的量子糾纏與非局域特性的研究，或許正是我們揭開量子世界終極謎題、探尋時空和萬物本源的那把關(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