北京
如果把一个空间里的空气、粒子、辐射统统清空，那里真的就什么都没有了吗？
量子力学给出的答案，恰恰击穿了人类最根深蒂固的直觉：“虚无”并不安静，也不空白，它仍然携带能量，甚至孕育着一切可能。
从无法消除的零点能，到真空中潜伏的粒子属性，再到它与宇宙命运之间的张力，科学家一次次发现：我们以为的“什么都没有”，也许正是自然界最丰富、最难理解的状态。
本文9小节，2300多字：
一个永远清不空的盒子
零点能来自哪里？
零点能意味着什么？取决于你如何理解量子力学
从普朗克到爱因斯坦：零点能的历史角色
接近绝对零度，分子依然在“动”
场的零点能：卡西米尔效应
无限的零点能，与有限的物理世界
重力无法忽视零点能
真空不是空无，而是潜能的集合
《量子杂志》文章截图（图源：Quanta Magazine）
无论科学家如何努力，他们始终无法真正让一个空间或一个物体彻底“空无一物”。即便移走所有可见物质、抽干气体，甚至假设用科幻手段清除暗物质，量子力学仍然给出一个令人意外的答案：那里依旧残留着能量，而且几乎无法被清除。
在最近发表于《量子杂志》（
Quanta Magazine）的一篇文章中，科学作家乔治·穆瑟（George Musser）围绕一个看似简单的问题展开讨论：当“什么都没有”时，究竟还剩下什么？
无论你多么努力地清空一个盒子，零点能量仍然存在。（视频来源：DVDP for Quanta Magazine）
1.
一个永远清不空的盒子
设想你想把一个盒子彻底清空。你取走所有可见物体，抽干空气，甚至假想清除一切不可见的物质。按照经典直觉，这个盒子理应空无一物。但在量子力学中，答案恰恰相反。
盒子里仍然充满能量。
这种无法消除的能量残余，被称为基态能量，也就是更广为人知的零点能。无论你付出多大努力，清空的过程对它而言几乎无关痛痒。
2.
零点能来自哪里？
零点能主要以两种形式存在。
一种与场有关，例如电磁场。即便场的振动被极度削弱，也不可能被完全消除。另一种与离散物体有关，例如原子和分子。即使它们被冷却到无限接近绝对零度，仍然保留着一定的能量。
这两种情况在物理本质上是相同的。任何在空间中受到约束的系统，都不可避免地具有零点能。
穆瑟将这一现象比作一个落在山谷底部的小球。小球的总能量由两部分组成：位置决定的势能，以及运动决定的动能。要让总能量彻底归零，就必须同时精确确定位置和速度。但这在量子世界中是不可能的，因为海森堡不确定性原理明确禁止这种同时精确测量。
3.
零点能意味着什么？取决于你如何理解量子力学
零点能究竟“是什么”，在更深层次上取决于你采用哪一种量子力学解释。
可以确定的一点是：如果将一组粒子置于最低能量状态，再去测量它们的位置或速度，你会观察到一系列分布，而不是一个固定值。这些粒子看起来仍在“抖动”。
在某些量子力学诠释中，这种抖动是真实存在的；而在另一些诠释中，这种运动只是经典直觉的残留，人类并不存在一种直观方式来想象粒子在最低能量状态下究竟“在做什么”。
4.
从普朗克到爱因斯坦：零点能的历史角色
零点能的概念最早由德国物理学家马克斯·普朗克在1911年提出。随后，真正开始认真对待这一概念的，是阿尔伯特·爱因斯坦。
研究量子真空的理论物理学家、罗切斯特大学的彼得·米洛尼指出，爱因斯坦和他的同时代人曾借助零点能解释多种现象，包括：
即使在最低能量状态下，分子和晶格仍然存在微弱振动；以及液态氦在常规压力下，即便温度极低，也无法凝固成固体。
5.
接近绝对零度，分子依然在“动”
零点能并非只是理论构想。2025年，位于德国汉堡附近的欧洲X射线自由电子激光设施（等机构的研究团队，发表了一项实验结果。
他们将一种由11种原子构成的有机分子——碘代吡啶，冷却到接近绝对零度，并用激光脉冲打断其化学键。实验发现，被释放出的原子运动之间存在明显关联。这表明：即便处在极低温状态，这个分子在此前依然处于振动之中。
该实验的主要发现之一并非最初目标。该设施的实验物理学家丽贝卡·博尔（Rebecca Boll）表示，这是一个“意外但清晰”的结果。
6.
场的零点能：卡西米尔效应
零点能在场中的最著名体现，是卡西米尔效应（Casimir effect）。这一效应由荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔于1948年提出，1958年首次被观测到，并在1997年得到明确实验验证。
当两块不带电的材料板彼此靠近时，它们会相互吸引。卡西米尔认为，这两块板会切断电磁场的某些振动模式，从而改变零点能的分布。根据目前最被接受的解释，板外的能量在某种意义上高于板间能量，这种差异产生了吸引力。
7.
无限的零点能，与有限的物理世界
在量子场论中，场通常被描述为由无数振荡子组成，而每个振荡子都具有零点能。这意味着，一个场在理论上包含无限多的零点能。
这一结论在二十世纪三四十年代首次出现时，曾令物理学家深感不安。但他们最终学会了与这些“无穷大”共处。在大多数物理问题中，真正重要的是能量差，而不是绝对值。通过精巧的数学处理，物理学家可以用一个无穷大减去另一个无穷大，得到有意义的结果。
8.
重力无法忽视零点能
然而，这种处理方式在重力问题上并不奏效。早在1946年，物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）就意识到：如果零点能真的如此巨大，它所产生的引力足以让整个宇宙爆炸。
约翰斯·霍普金斯大学的物理学家肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）指出：所有形式的能量都会产生引力，包括真空能量，因此不可能忽略它。为什么这种能量在引力层面几乎“沉默”，至今仍是物理学中的重大谜题。
9.
真空不是空无，而是潜能的集合
在量子物理学中，真空的零点能并不仅仅意味着“你无法真正清空一个盒子”。更重要的是，它改变了人类对“虚无”的理解。
真空并不是缺失一切的状态，而是蕴含一切可能性的状态。
彼得·米洛尼指出，真空中以某种方式“体现”了所有的场，也就意味着所有粒子的潜在存在。即使没有任何电子，真空中依然包含着“电子性”。零点能是所有可能物质形式共同作用的结果，其中也包括人类尚未发现的那些。
在量子力学的语境下，“什么都没有”，并不是终点，而是通向“一切”的起点。
参考资料："In Quantum Mechanics, Nothingness Is the Potential To Be Anything" by George Musser from Quanta Magazine, Published January 5, 2026
本文头图来源：「量子号」
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