什么是真空？一般人能想到的就是一塊連空氣都沒有的空間。但對量子力學稍作了解的話你會知道，即使空間中什么都沒有，但依然存在量子漲落，正所謂“真空不空”。那理論上是否存在絕對意義上的真空呢？現(xiàn)如今科學界對真空的理解又到了何種程度？這期我們把真空分成七個層次逐一解析，看看你對真空的理解到了哪一層。
第一層：真空 —— 沒有粒子
生活中涉及真空的場景其實有很多，比如真空包裝、真空保溫杯等等。工業(yè)上只要低于一個標準大氣壓的環(huán)境都可以稱之為“真空”，只是根據(jù)氣壓不同它們可以劃分為低真空、高真空、超高真空等不同的真空程度。比如中學時學過的“馬德堡半球?qū)嶒灐?，那個很多匹馬都拉不開的金屬球它里面就是一種高真空環(huán)境。
在大部分人想象中，只要我們把容器中的所有空氣都抽走，一點不留，那應該就是真真空了。但是這種真空只能說是沒有空氣，并不代表真的空無一物。就像我們會把大氣層以外的太空等同于真空環(huán)境，但實際上，太空中還存在宇宙射線等各種輻射和粒子，至少你能看到光就說明這里面肯定有光子。即便你隔絕了所有外界輻射（包括宇宙微波背景輻射），那容器本身也會存在輻射。畢竟只要不是絕對零度，所有東西理論上都存在熱輻射。
所以呢，假如有一個完全封閉、里面一個粒子都沒有，而且自身也不產(chǎn)生任何輻射的理想環(huán)境，那它確實算得上電磁學意義的絕對真空。只是這樣的真空，現(xiàn)實中顯然不存在。
第二層：真空不空 —— 虛粒子
雖然現(xiàn)實中不存在電磁學意義上的真空，但假設有一處這樣的真空存在，它里面真的就什么都沒有嗎？當然不是，實粒子雖然沒有，但它里面還有虛粒子。
虛粒子是個什么東西？
相信不管你對量子力學了解有多少，“海森堡不確定性原理”你肯定有聽過。它可以說是量子力學最核心、最底層的原理之一。簡單來說它指的是：對于一些特定的物理量（算符不對易的共軛量），比如位置和動量、時間和能量，我們不可能同時獲知兩者的精確數(shù)值。
拿位置和動量來說，當我們精確測量出某個粒子的位置時，它的動量就無法準確測量，反之亦然。注意：這個“無法準確測量”不是說技術達不到，也不是被智子鎖死了，而是理論上就不可能。這也是為什么該原理的名字從一開始的“測不準原理”改成了后來的“不確定性原理”。
同理，對于時間和能量這一對物理量，我們也無法同時確定。如果我們把時間限定在一個極短的尺度內(nèi)（時間精確），那么能量此時就變得非常不確定了。這個現(xiàn)象即便對于真空來說也是一樣：在極短時間內(nèi)，真空的能量可能并不是 0，一些能量會憑空出現(xiàn)，表現(xiàn)出來就是真空中會隨機產(chǎn)生一對正反粒子，這對憑空產(chǎn)生的粒子我們稱其為虛粒子。
為什么是“虛”呢？因為它只停留在紙面上。就是說計算過程中發(fā)現(xiàn)，如果假想這里有倆粒子存在，那么整個過程描述起來會非常方便。而且關鍵是這倆粒子很快就會相互湮滅消失，憑空出現(xiàn)的能量又會還給真空，一切就和沒發(fā)生過一樣，這就是所謂的“真空量子漲落（quantum fluctuation）”。從這可以看出，“能量守恒”其實也不是鐵律，它更多是從整體上來說的。
所以呢，宏觀（時間尺度拉長）上來看，真空就是真空，里面沒有粒子（實粒子）；但從微觀（時間尺度縮短）來看，真空中充滿了量子漲落產(chǎn)生的虛粒子，因此我們才說“真空不空”。
第三層：真空不空 —— 量子場
你可能會有疑問：“虛粒子不是計算中假想的東西嗎，那能算真實存在嗎？”
沒錯，虛粒子只是一種假想出來的直觀概念，并不是真實存在的實粒子。但是如果就其物理意義而言，這中間涉及到的相互作用是的的確確真實存在的。因為虛粒子對實粒子產(chǎn)生的影響（比如蘭姆位移、卡西米爾效應等）是可以被實打?qū)嵦綔y到的。所以可以認為，虛粒子真的存在，只不過不是以我們認為的那種形態(tài)存在。
其實當量子力學發(fā)展到下半場，物理學家已經(jīng)將量子力學、狹義相對論、經(jīng)典場論結合到了一起，整出了個集大成者的量子場論。在量子場論中，無論是虛粒子還是實粒子，它們都可以看做是場中出現(xiàn)的“漣漪”（量子場的激發(fā)）。區(qū)別只是：實粒子可以持續(xù)存在并且傳播，是能夠被直接探測到的；而虛粒子只是個短命鬼，一般只出來打個醬油就回去了，我們只能通過間接現(xiàn)象來確定其存在。
所以，從量子場的角度來看，不管你是實粒子還是虛粒子，真空始終伴隨著一個東西 —— 量子場。
第四層：真空不空 —— 相對的真空
就像相對論中沒有絕對的時間，對空間來說真空或許也不是絕對的。
隨著量子場論日趨成熟，物理學家開始考慮如何將廣義相對論融入進去。就在探索彎曲時空的量子場論時，物理學家在理論上發(fā)現(xiàn)了一種可能存在的奇怪現(xiàn)象：當你在一個絕對零度的真空中加速運動時，你會發(fā)現(xiàn)此時的真空竟然有了溫度！但這個溫度僅限于你的視角，對于外界觀測者來說，這片空間仍然是沒有溫度的真空（除了虛粒子外沒有任何輻射）。這種溫度取決于參照系選擇的奇怪現(xiàn)象稱為“安魯效應（Unruh effect）”。
在廣義相對論中，加速度和引力場是等效的（等效原理）。那在一些超強的引力場附近（比如說黑洞），它就可能會因為安魯效應而使自身產(chǎn)生熱輻射，也就是黑洞有了溫度。如果黑洞有溫度，那它勢必會向外釋放能量（實粒子），這些能量哪來的呢？沒錯，虛粒子轉(zhuǎn)化來的。這便是“霍金輻射”的真正由來。
所以呢，真空空不空（里面是只有虛粒子，還是有實粒子），這甚至完全取決于你如何選擇參照系。
多說一點，平時我們討論真空，為什么不額外考慮參照系問題呢？因為雖然理論上沒有一個“絕對參照系”（牛頓的絕對時空），但是有一個東西確實比較特殊，在考慮宇宙演化等大尺度問題時經(jīng)常會拿來當做“參照標準”，它就是宇宙微波背景輻射（共動坐標系）。經(jīng)常有人問“宇宙年齡的時間是相對誰來說的”，這里你就可以理解成是相對于背景輻射來說的，它就是宇宙自己的時間，也叫“宇宙時（Cosmic time）”。由于地球的引力場非常小，相對論的鐘慢效應非常微弱，所以我們可以把它和背景輻射放入同一個參照系。真空也是如此，通常情況下安魯效應對真空的影響非常有限，甚至根本探測不到（霍金輻射至今也未被驗證）。
第五層：真假真空 —— 假真空衰變
剛才我們說真空中存在著各種量子場，對于絕大多數(shù)量子場來說，它們都有個最低能量態(tài)，叫做“基態(tài)”。處于基態(tài)的場能量最低，也最穩(wěn)定。但我們的宇宙中有一種場，目前處于的并不是穩(wěn)定的基態(tài)，它就是賦予了基本粒子質(zhì)量的希格斯場。雖然希格斯場的狀態(tài)目前已經(jīng)維持了 138 億年，但既然它不在最穩(wěn)定的基態(tài)，那說明這種穩(wěn)定只是暫時的（亞穩(wěn)態(tài)），它隨時可能掉落到能量更低的狀態(tài)上。
所以你可以認為，目前宇宙中的真空其實都是“假真空”。也許有一天，某處希格斯場的勢能突然落到了更低的態(tài)上（空間發(fā)生相變），此時“假真空”便會成為“真真空”。之后，這股勢頭將會以近光速向四面八方蔓延，這種現(xiàn)象被稱為“假真空衰變（False vacuum decay）”。真空衰變有點類似二向箔的效果，整個空間以光速向二維跌落，并且不會停止。但和二向箔不同的是，真空衰變會使得很多基本粒子失去質(zhì)量，宇宙萬物將因此灰飛煙滅，整個物理學也將被徹底改寫。
總之，當希格斯場跌落到更低的基態(tài)時，空間將變成真正的真真空。
第六層：不同真空 —— 弦論中的真空
雖然現(xiàn)如今量子場論足以應對大部分情況，但是在面對一些極端問題時，我們不得不寄希望于未來的終極理論（萬物理論，ToE）。作為終極理論候選者中的明星，弦理論雖然一直飽受爭議，但它從數(shù)學角度為我們理解真空乃至整個宇宙提供了全新的視角。
當年在研究超弦理論的過程中，弦論學家們發(fā)現(xiàn)我們的世界應該是十維的。可是從相對論來說，就算把時間算上這也才四維（三維空間加一維時間構成四維時空），另外的六維去哪了？正當弦論學家們一籌莫展的時候，華裔數(shù)學家丘成桐提出的“卡拉比-丘流形（Calabi–Yau manifold）”讓大家眼前一亮。很快，他們搞出了一篇名為《超弦的真空結構》的論文。
弦論學家們認為：由卡拉比-丘流形構成的卡拉比-丘空間，它的維度不同于普通的三維空間，卡拉比-丘的維度是有大小的（緊致化），并不能無限延伸。之前多出來的六個維度之所以找不到，正是因為它們蜷縮在了微觀的、小到普朗克尺度的卡拉比-丘空間中。
原本一切看似非常完美，但不出意外的話意外就要出現(xiàn)了：這個卡拉比-丘流形并非只有一種，目前認為它的數(shù)量即便不是無限多，那也是個相當龐大的天文數(shù)字。這些不同種類的卡拉比-丘流形會形成具有不同物理定律的獨特空間，而我們的宇宙屬于其中的哪一種，沒有人知道。弦論的這一怪異結果似乎從另一方面預示著多元宇宙或許真的存在。所以呢，在這些不同的宇宙中，它們有著不同的物理定律，包括真空的概念也不盡相同。
第七層：真空的終結 —— 虛無
其實在引入卡拉比-丘流形之前，弦論學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有些額外維度只能存在于微觀（緊致化）。由于微觀上存在量子不確定性，這些額外維似乎也不能穩(wěn)定存在。
1982 年，在一篇討論“卡魯扎-克萊因空間不穩(wěn)定性”的論文中，后來的“M 理論之父”愛德華?威騰提出了一種比“假真空衰變”更可怕的衰變。威騰發(fā)現(xiàn)，在卡魯扎-克萊因理論描述的真空中，當額外維度一旦縮小到超過某個閾值時，真空會坍縮成一個點，此時維度將不再存在，這里就是真空的終結。
不同于黑洞那種四維時空的引力奇點，這個衰變形成點雖然剛開始是個點，但它會以光速迅速膨脹變大。更神奇的是：雖然它會變大，但因為它本身已經(jīng)失去了維度，所以對我們來說它不管變多大，仍然是一個“點”。
這就是卡魯扎-克萊因真空衰變的可怕之處：相比黑洞的奇點，它不只是終結了時空，同時還能讓這種終結向四周圍蔓延；而相比假真空衰變，這種衰變不是讓真空的狀態(tài)發(fā)生了改變，而是直接“消滅”了真空！
如果說宇宙大爆炸形成的空間只是狹義上的我們熟悉的空間，那么“空間的終結”意味著就連廣義上的任何形式的空間都將不復存在。難道這就是傳說中的“虛無”？
論文 & 綜述
[1] P. Candelas a b, Gary T. Horowitz, Andrew Strominger, Edward Witten. Vacuum configurations for superstrings. Nuclear Physics B (1985). 258:46-74
[2] Edward Witten. Instability of the Kaluza-Klein vacuum. Nuclear Physics B (1982). 195(3):481-492
文章 & 新聞
[1] WIKIPEDIA: False vacuum
[2] WIKIPEDIA: Calabi-Yau manifold
[3] WIKIPEDIA: Compactification_(physics)
[4] WIKIPEDIA: Kaluza–Klein_theory
[5] blog.sciencenet.cn/blog-677221-1342155.html
[6] WIRED: How the Physics of Nothing Underlies Everything
本文來自微信公眾號：Linvo 說宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo
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