北京
真空从来不是真正的“空”。即便一个量子场处在能量最低的基态，也就是物理上所说的真空，它仍然会因为海森堡不确定性原理而出现无法消除的涨落：某些成对的物理量，不可能同时拥有完全精确的数值。
换成更生活化的说法，一个量子场应该像一台信号不稳的老式电视机，屏幕上永远有细密的雪花在跳动。过去，已经有大量间接证据指向这一点，但科学家始终没有直接“看见”过这些涨落本身。
现在，由英国剑桥大学张延生领导的物理学家团队取得了一项重要突破：他们在实验室制造的量子场中，直接对涨落进行了成像。
研究团队在提交到 arXiv 的预印本中写道：“在 sine-Gordon 极限下观测到这类涨落，为在目前理论上还难以处理的区间内进行相对论性场的实验室模拟，打开了许多新的可能性。”
真空涨落不是纸面上的数学游戏
真空涨落并不是只存在于公式里的理论把戏，它们对真实的物理宇宙会产生实际影响。
例如，处于激发态的原子与真空中的涨落发生相互作用后，可以自发衰变到较低能态，并在此过程中释放出一个光子。氢原子中的电子，也会因为与涨落的相互作用而出现略微不同的能级。
更直观的例子是卡西米尔效应。如果把两块导电板在真空中放得非常近，它们会因为板内与板外量子涨落的差异，而受到一个可测量的力，被拉向彼此。
甚至在理论上，黑洞边界发出的霍金辐射里，也有真空涨落的身影。
在宇宙学中，极早期那些微小的原初量子涨落，被认为在宇宙暴胀期间被拉伸到了极其巨大的尺度。正是这些微小的不均匀，后来成为物质聚集的“种子”，最终形成了我们今天看到的星系、星系团和宇宙网状结构。
为什么直接观测这么难
量子场论把宇宙描述为由各种场充满的空间，粒子则是这些场中的激发。每一个场都可以被看作由不同波长的模式组成，有点像一根吉他弦可以有不同的振动方式。
每一种模式的行为，都类似于一个量子谐振子——也就是弹簧上质量块的量子力学版本。由于量子不确定性，即使处在最低能量状态，这个谐振子也永远不可能完全静止。
但问题在于，量子涨落虽然对物理宇宙影响深远，却极难被直接观测。它们极其微小，本质上随机，而且不会给科学家提供一个可以瞄准探测器的清晰目标。
因此，过去大多数对量子涨落的观测，测到的其实是它们造成的后果，而不是涨落本身。
玻色-爱因斯坦凝聚体登场
这时，玻色-爱因斯坦凝聚体进入了研究视野。
玻色-爱因斯坦凝聚体是一团超冷原子云，被冷却到只比绝对零度高出一丁点。在这样的温度下，原子会集体表现为一个单一的量子系统，从而让科学家有机会在更宏观的尺度上观察量子行为。
研究团队正是利用这种超冷原子系统，在实验室中构造出一个可控的量子场，并成功对其中不可避免的涨落进行了直接成像。这意味着，过去只能通过间接效应来推断的真空涨落，如今第一次有了更直接的观测证据。
这项工作不仅验证了量子场论中关于真空涨落的基本图像，也为后续研究提供了一个新的实验平台。正如研究者所说，在 sine-Gordon 极限下观测到涨落，可能让科学家在实验室里模拟那些目前理论上还无法完全处理的相对论性场。
对普通人来说，这件事最迷人的地方或许在于：我们一直以为“空”就是什么都没有，但物理学家现在用实验告诉我们，所谓空无一物的空间，其实一直在以量子力学允许的方式轻微地“呼吸”。
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