真空真的空无一物吗？从“虚无”中诞生的物理学革命 | 科到了

作者：曹钟一 博士研究生 | 中国科学院大学 培养单位：中国科学院物理研究所 审核：杨海涛 研究员 | 中国科学院物理研究所

提起真空，你可能会想到空无一物的瓶子，或者宇宙中黑暗、寂静的深空。在我们的日常观念里，真空似乎就等同于什么都没有。

但物理学家会告诉你，事情远非如此简单。在现代物理学的视角下，真空非但不是空的，反而可能是宇宙中最复杂、最活跃、也最基础的东西。对真空本质的每一次深入理解，都曾引发物理学的革命。今天，我们就来聊聊人们认识真空的几个阶段。

第一阶段：被抛弃的以太

在19世纪，物理学家认为，光作为一种波，需要媒介来传播，就像声音需要空气，水波需要水一样。于是，他们假设整个宇宙空间都充满了一种看不见、摸不着的物质——以太（Ether）。当时的真空，其实就是充满以太的空间。

然而，著名的迈克尔逊-莫雷实验试图探测地球相对于以太风的运动，却得到了“零结果”。这朵乌云催生了爱因斯坦的狭义相对论。爱因斯坦指出，光速不变，电磁场本身就是物质，无需以太这种媒介。于是，经典的以太概念被抛弃，真空似乎又回到了空无一物的状态。

但这只是暴风雨前的宁静。随着量子力学的登场，真空即将展现出它令人惊异的面目。

迈克尔逊-莫雷实验 图片来源：https://x.com/fermatslibrary/status/1656668527418564610

第二阶段：狄拉克的电子海

当狄拉克将量子力学与相对论结合，提出著名的狄拉克方程时，一个尴尬的问题出现了：方程预言了存在负能电子。这难以理解。狄拉克提出了一个天才般的设想：所谓的真空，并非空无一物，而是所有负能量状态都已经被电子填满的“海洋”。我们平常看到的普通电子，只是在这片深不可测的“电子海”海面上游动的少数幸运儿。

这个图像的一个惊人预言是：如果海中的一个电子被足够高的能量（如γ射线）击中，它就会跃出海面，成为一个普通电子，同时在“海”中留下一个空穴。这个空穴的行为就像一个带正电的电子，即正电子。1932年，安德森(C. Anderson)在在宇宙射线中发现了正电子，完美验证了狄拉克的预言[1]。真空，第一次被证明是不空的，它是一片无形的粒子之海。

狄拉克负能电子海 图片来源：https://courses.physics.illinois.edu/phys596/fa2023/StudentWork/Team4_Final.pdf

第三阶段：量子场论中的“沸腾之海”

在量子电动力学理论中，真空的图像变得更加诡异和活跃。根据量子力学的不确定性原理，即使在绝对零度，任何物理量也在不断涨落。在真空中，这种涨落表现为虚粒子对（如正负电子对、光子对）的不断产生和湮灭，其速度之快，无法被直接观测，却会产生可测量的效应。一个真实的电子在真空中运动时，会被这些瞬间产生的虚粒子云所包围和影响，就像穿了一件衣服。这会轻微改变电子的能量和磁性。

卡西米尔效应可能是对真空能量最直接的证明[2]。如果把两块不带电的金属平板在真空中无限靠近，它们之间会莫名产生一股微弱的吸引力。这是因为平板限制了它们之间空间所能容纳的虚粒子波动模式，导致板外的真空压力大于板间，从而把两块板推到一起。这直接证明了空无一物的真空中，蕴藏着可以做功的能量。

卡西米尔效应 图片来源：https://pajuhaan.medium.com/casimir-effect-vs-vacuum-energy-are-we-chasing-a-mirage-12cb94ab6db4

第四阶段：万物质量的赋予者——希格斯场

20世纪物理学的另一大难题是：为什么基本粒子会有质量？在电弱统一理论中，规范对称性要求传递相互作用的粒子（如W、Z玻色子）质量必须为零，但这与实验不符。

解决之道再次指向真空。物理学家希格斯等人提出，宇宙中弥漫着一种看不见的场，即希格斯场。与狄拉克的电子海类似，真空中充满了希格斯场。当真空的对称性自发破缺（可以想象为无数个小磁针从杂乱无章突然转向同一个方向），所有在“场海”中穿行的粒子，都会通过与希格斯场的相互作用而获得惯性，即质量[3]。

你可以把宇宙想象成一个充满粘稠希格斯场的游泳池。像光子这样的粒子，游泳技术高超，不受阻力（质量为0）；而像电子、夸克等粒子，则像普通人一样，在泳池中行动受阻，这个“受阻”的表现就是它们的质量。2012年，大型强子对撞机（LHC）发现了希格斯玻色子，终于证实了这种赋予万物质量的真空场的存在。质量，竟真的从“无”（对称的真空）中诞生。

希格斯有效场 图片来源：https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-031-96288-2_1

第五阶段：量子信息的未来——量子比特以太

对真空的探索远未结束。在量子信息科学的新视角下，一些前沿理论（如文小刚院士的“弦网液体”理论[4]）提出了更大胆的猜想：或许我们空间的本质，就是一个由无数量子比特构成的海洋，即量子以太。

在这个图像中，我们熟悉的基本粒子和相互作用，都只是这个量子比特海洋中不同的波动模式或拓扑结构。比如，某种特定的波动可能就是光子，某种弦状的末端可能就是电子。如果这被证实，那将意味着时空和物质拥有一个共同的、更深刻的量子信息起源。

结语

从被抛弃的以太，到狄拉克的电子海，再到沸腾的“虚粒子汤”和赋予质量的希格斯场，最后到可能作为万物基底的“量子比特海洋”……人类对真空认知的每一次深化，都伴随着物理学的巨大飞跃。

物理学最深刻的追问：什么是最基本的实在？空间、时间、物质、能量，它们从何而来？李政道先生曾将夸克禁闭等世纪难题与真空的性质紧密联系。而今天，随着量子信息科学开启新的革命，对真空，特别是其可能内禀的量子纠缠与非局域特性的研究，或许正是我们揭开量子世界终极谜题、探寻时空和万物本源的那把关键钥匙。

参考文献：

[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] 文小刚. 物理，2015，44：261

编辑：Zoey