“真空”真的什么都没有吗？其中蕴藏着超乎想象的奥秘！

在物理的宇宙里，“真空”一词似乎意指一片虚无。没有粒子、没有物质，甚至没有空气，一片空无一物的境地。这样的状态，在现实的物理学界，是否真正存在呢？

关于“真·真空”的争论

真空，顾名思义，就是不存在任何物质的空间。

自古希腊时期以来，人类对于“真·真空”是否真正存在于自然界一直争论不休。哲学家亚里士多德曾提出“自然界厌恶真空”的观点，他认为真空这种东西根本不存在。然而，限于当时的科技水平和物理知识，这些讨论仅限于哲学领域或思想实验，直到17世纪，西方才开始进行物理实验方面的研究。

1641年，意大利的物理学家托里拆利为了验证伽利略的理论，进行了一项实验。

他将一根长管注满水银，用手指堵住一端，迅速倒转，让管口浸入一个装有水银的盆中。他发现，当管中水银柱的高度稳定在大约76公分时，玻璃管的顶端形成了一个局部真空。这个实验被命名为托里拆利实验，使用的装置成为了人类历史上第一件气压计。不久之后，德国的市长兼物理学家格里克受到启发，进行了马德堡半球实验，并发明了人类历史上的第一个真空泵。

随着科技的进步，人类逐步掌握并改进了制造真空的技术，现如今，已经可以创造出不同程度的真空环境。然而，对于“真·真空”是否真正存在这一问题，是否已有了定论（大部分人认为真空中空无一物），亚里士多德的观点是否已被推翻呢？

“真·真空”其实“包含诸多事物”

答案并不简单。虽然从宏观角度看，真空似乎空无一物，但从量子力学的微观角度观察，真空比你想象的要复杂得多。即便将空间内的所有物质、空气全部移除，甚至将该空间与外界完全隔绝，降至绝对零度，空间也并非真正的空无一物。根据量子场论，宇宙空间中始终充满了各种大小不一的量子场，每种基本粒子都对应一种量子场，如同正电子和反电子是狄拉克量子场的激发态。

通常认为，真空中没有任何物质，内部的量子场处于基态，那么真空态的能量值应该为零。但事实并非如此。根据量子力学的不确定性原理，任何物理态的能量值都会有一定的波动，时间间隔越短，能量波动越大。因此，即便是真空，其内部的量子场也会有波动，类似于根据热力学定律你永远无法达到绝对零度的情况。

虚粒子就是这些波动在量子场论中的表现。在极短的瞬间，真空的能量波动可能异常巨大，“凭空”产生出一对又一对的正反虚粒子。衍生出的必须是正反粒子对，是因为系统需要遵守对称守恒定律。然而，当你观察真空系统时，这些正反虚粒子会迅速相撞并消失，因此你无法观测到它们的存在。虽然被称为“虚粒子”，但实际上它们与真实的粒子不同，严格来说并非粒子。

因此，真正的真空并不存在，真空拥有能量，即零点能量，内部存在无数的真空波动，亚里士多德的假说最终得到了修正！

尽管被称为零点能量，但真空能量的绝对值并不一定为零。事实上，真空能量的绝对值仍是物理学界的一大谜团。

真空不仅“包含诸多事物”，而且是相对的概念

除了拥有能量，真空并非空无一物，它还是一个相对的概念。设想一下，在真空中有两块非常接近的平行金属板。这两块金属板的存在会限制板间空间的电磁波真空波动，形成一个筛选机制，只有短于某一波长、特定驻波态的真空电磁波才能存在，而板外的电磁波则不受限制。由于板外的电磁波模式比板内更多，真空态不同，导致内外真空能量存在差异，外侧由于虚光子撞击金属板形成的光压强于内侧，从而使金属板感受到一种无形的吸引力。这就是著名的卡西米尔效应，由荷兰物理学家卡西米尔在1948年提出，并于1996年通过实验证实。

既然真空拥有能量，那我们是否能够将虚粒子转变为真实粒子，无中生有地从真空中获取能量呢？答案是可以的，不过并非你想象的那样，而且根据热力学定律，这种获取能量的方式并不是无中生有，而是需要先在真空制造边界条件，打破热平衡，形成局部能量差异，在过程中投入的能量也不会超过你从真空中获得的能量。这种方法就是利用动态卡西米尔效应：

假设在上述情况下，真空中的两块金属板之一不断地进行加速移动。在这过程中，金属板内侧的虚光子会转化为真实存在的光子，成为可以测量的电磁波。

这种形象的解释是，当你移动金属板时，板内侧本应瞬间出现又瞬间相消的虚光子在移动过程中“失去”了伴侣，无法相消，从而变成真实存在的粒子。这解释带有些许“浪漫色彩”，也是科普中常见的说法。不过，从物理学角度来看，这种现象源自加速过程中金属板表面与板内侧真空发生的量子相互作用，且过程中投入了相应的能量，并非无中生有。

与此类似的是黑洞霍金辐射。众所周知，广义相对论中的等效原理指出，一个加速中的非惯性坐标系与一个静止中的重力场在局部上没有区别，因此动态卡西米尔效应的原理同样适用于解释霍金辐射的成因，而霍金辐射所付出的能量则来自于黑洞的重力场。

总结：真空并非空洞无物，且它的定义并非绝对的。