在日常生活中，我們對 “真空” 的概念并不陌生。

食品包裝采用真空技術(shù)來延長保質(zhì)期，電子產(chǎn)品利用真空環(huán)境減少元件腐蝕，就連在科學(xué)研究中，真空也是許多實(shí)驗(yàn)不可或缺的條件。在我們的常規(guī)認(rèn)知里，真空，顧名思義，就是什么都沒有的空間，是一片純粹的虛空。

然而，事實(shí)真的如此簡單嗎？

隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步，特別是在物理學(xué)領(lǐng)域的深入探索，我們發(fā)現(xiàn)，真空的真實(shí)面貌遠(yuǎn)比我們想象的要復(fù)雜得多，甚至可以說，它充滿了意想不到的奧秘。

讓我們把時(shí)光倒回 17 世紀(jì)，去看看科學(xué)家托里拆利在 1643 年進(jìn)行的那個(gè)著名實(shí)驗(yàn)。

他的實(shí)驗(yàn)裝置十分簡單，將一根 1 米長、裝滿水銀的玻璃管，倒扣在同樣裝滿水銀的盆子里。實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人驚訝：玻璃管中的水銀柱并沒有全部流到盆中，而是下降到了 76 厘米的高度，在玻璃管的上方留下了 24 厘米的空間。

當(dāng)時(shí)的人們認(rèn)為，這 24 厘米的空間就是真空，因?yàn)槔锩鏇]有空氣。但真的只是這樣嗎？這個(gè)看似普通的實(shí)驗(yàn)，卻像一把鑰匙，開啟了人類對真空探索的大門，一系列關(guān)于真空的奇妙現(xiàn)象和深刻理論由此逐漸展開。

時(shí)間來到 19 世紀(jì)初，1800 年，科學(xué)家托馬斯?楊進(jìn)行了一項(xiàng)意義深遠(yuǎn)的實(shí)驗(yàn) —— 雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。

他讓一束光通過兩條平行的狹縫，結(jié)果在狹縫后的屏幕上出現(xiàn)了一系列明暗相間的條紋。這個(gè)現(xiàn)象表明，光不是粒子，而是一種波。因?yàn)橹挥胁ㄔ谕ㄟ^雙縫時(shí)，才會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，就像平靜湖面投入兩顆石子，波紋相互交錯(cuò)一樣。

在當(dāng)時(shí)，人們對波的傳播已經(jīng)有了一定的認(rèn)識，任何波的傳播都需要介質(zhì)，比如水波需要水作為介質(zhì)，聲波需要空氣作為介質(zhì)。那么，光在真空中傳播，它的介質(zhì)又是什么呢？

為了解釋這個(gè)問題，科學(xué)家們提出了 “以太” 的概念。他們假設(shè)以太是一種充滿整個(gè)宇宙空間、絕對靜止且無形的物質(zhì)，光就是通過以太這種介質(zhì)進(jìn)行傳播的。

以太的概念提出后，在當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界引起了廣泛關(guān)注。

基于以太的假設(shè)，科學(xué)家們認(rèn)為，當(dāng)我們以不同速度相對以太運(yùn)動(dòng)時(shí)，測量到的光速應(yīng)該是不一樣的。這背后的原理就是我們熟悉的相對性原理，也叫伽利略變換。

舉個(gè)簡單的例子，你在一列速度為 V1 的火車上，朝著火車行駛方向奔跑，速度為 V2，而我站在地面靜止不動(dòng)。那么在我看來，你的速度就是火車速度與你奔跑速度之和，即 V1+V2。在經(jīng)典力學(xué)中，伽利略變換是基礎(chǔ)，牛頓經(jīng)典力學(xué)便是在相對性原理的基礎(chǔ)上構(gòu)建起來的。

這一原理與我們的日常生活經(jīng)驗(yàn)相符，似乎一切都順理成章。

然而，19 世紀(jì)麥克斯韋方程組的出現(xiàn)，徹底打破了這一平靜。麥克斯韋方程組是一組描述電場、磁場與電荷密度、電流密度之間關(guān)系的偏微分方程，它的偉大之處在于，通過這個(gè)方程組推導(dǎo)出來的光速計(jì)算公式中，光速是一個(gè)常數(shù)，只與真空的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)有關(guān)，根本不需要任何參照系。

這意味著，光速在任何參照系下都是不變的，它是絕對的。這一特性與傳統(tǒng)的相對性原理和伽利略變換產(chǎn)生了激烈的沖突，也與人們的日常認(rèn)知相悖。當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界大佬們試圖調(diào)和麥克斯韋方程組與牛頓經(jīng)典力學(xué)之間的矛盾，他們認(rèn)為光的參照系就是絕對靜止的以太。

但科學(xué)家們深知，以太只是一個(gè)假設(shè)概念，必須通過實(shí)驗(yàn)來證明它的存在，否則一切都是空談，這就是科學(xué)研究中 “大膽假設(shè)，小心求證” 的精神。

于是，一場尋找以太的科學(xué)探索之旅展開了。

眾多科學(xué)家設(shè)計(jì)并進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)，其中最著名的當(dāng)屬邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)。

他們利用干涉儀，試圖通過測量不同方向上光速的差異來證明以太的存在。因?yàn)楦鶕?jù)以太理論，地球在以太中運(yùn)動(dòng)，就像船在水中航行一樣，會產(chǎn)生 “以太風(fēng)”，那么在不同方向上測量光速，應(yīng)該會有不同的結(jié)果。

然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻讓所有人大跌眼鏡，無論他們?nèi)绾尉脑O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)儀器，都沒有檢測到 “以太風(fēng)” 的存在，也就意味著以太很可能根本不存在。如果以太不存在，那么牛頓經(jīng)典力學(xué)就面臨著巨大的挑戰(zhàn)，它不再是完美無缺的，至少在解釋光的傳播等問題上，存在著局限性。

在這個(gè)物理學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)刻，愛因斯坦登場了。

他秉持著 “如無必要勿增實(shí)體” 的奧卡姆剃刀原理，大膽地摒棄了以太這個(gè)假設(shè)。愛因斯坦以光速不變原理為基礎(chǔ)，創(chuàng)立了相對論。相對論的誕生，徹底改變了人們對時(shí)間、空間和物質(zhì)的認(rèn)識，開啟了現(xiàn)代物理學(xué)的新紀(jì)元。

當(dāng)然，愛因斯坦提出相對論的過程充滿了智慧與艱辛，遠(yuǎn)非幾句話就能說清，但這一偉大理論的出現(xiàn)，無疑為解決當(dāng)時(shí)物理學(xué)的困境提供了全新的思路。不過，我們需要注意的是，相對論的提出與對真空的深入理解并沒有直接關(guān)聯(lián)，它主要解決的是光速不變與經(jīng)典力學(xué)之間的矛盾，而關(guān)于真空的奧秘，還需要量子力學(xué)來進(jìn)一步揭示。

隨著對微觀世界研究的深入，量子力學(xué)逐漸嶄露頭角。在 19 世紀(jì)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象：給氣體施加高電壓，氣體會發(fā)光。

這是因?yàn)闅怏w原子在高電壓作用下獲得能量，然后又會以發(fā)光的形式釋放能量，霓虹燈就是利用這個(gè)原理工作的。不同原子發(fā)出的光顏色不同，特定頻率的光構(gòu)成了原子的發(fā)射光譜。在所有原子中，氫原子結(jié)構(gòu)最簡單，它只有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子，因此科學(xué)家們對氫原子光譜的研究最為深入。

1885 年，科學(xué)家巴爾末總結(jié)出一個(gè)公式，能夠計(jì)算出氫原子在可見光范圍內(nèi)譜線的頻率。但當(dāng)時(shí)，這個(gè)公式只是一個(gè)數(shù)學(xué)上的總結(jié)，科學(xué)家們并不清楚其背后真正的物理含義。

直到 1913 年，物理學(xué)家玻爾提出了氫原子的玻爾模型，才首次對這個(gè)公式做出了物理層面的解釋。

玻爾模型認(rèn)為，氫原子中的電子在不同的能級軌道上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電子從高能級躍遷到低能級時(shí)，就會釋放出光子，光子的頻率與能級差有關(guān)。不過，玻爾模型還只是一個(gè)半經(jīng)典理論，它雖然成功解釋了氫原子光譜，但只適用于氫原子，對于更復(fù)雜的原子就無能為力了。

之后，薛定諤提出了著名的薛定諤方程，這個(gè)方程從量子力學(xué)的角度，對氫原子光譜進(jìn)行了全新的詮釋。簡單來說，氫原子外圍的電子受到質(zhì)子的庫侖力作用，被束縛在質(zhì)子附近，處于 “束縛態(tài)”，這些束縛態(tài)具有不同的能量，也就是能級。

通過求解薛定諤方程，可以精確計(jì)算出能級對應(yīng)的能量。而巴爾末公式中可見光區(qū)的譜線頻率，對應(yīng)的就是高能級電子躍遷到第二能級時(shí)釋放出光的頻率。薛定諤方程的出現(xiàn)，標(biāo)志著量子力學(xué)在解釋原子光譜問題上取得了巨大成功。

然而，科學(xué)的探索永無止境。

隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，科學(xué)家們在對氫原子光譜的研究中發(fā)現(xiàn)，薛定諤方程也并非完美無缺。當(dāng)他們用更精密的儀器觀察氫原子譜線時(shí)，發(fā)現(xiàn)每條譜線其實(shí)是由更細(xì)小的譜線組成的，這就是氫原子能級的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

按照薛定諤方程的詮釋，在沒有外部干擾的情況下，電子會一直保持在某個(gè)能級上，不會自發(fā)躍遷到其他能級。但在實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們卻觀察到了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：即使在真空中，高能級的電子也有一定概率自發(fā)躍遷到更低能級，同時(shí)釋放出光子，這種現(xiàn)象被稱為 “自發(fā)輻射” 或 “自發(fā)躍遷”。

這就表明，真空中似乎存在某種未知的因素，干擾了高能級電子的穩(wěn)定性，那么這個(gè)神秘的因素究竟是什么呢？真空中難道真的隱藏著不為人知的 “東西”？

要理解這個(gè)問題，我們先來梳理一下電子躍遷的基本過程。

電子通常處于兩種狀態(tài)：基態(tài)和激發(fā)態(tài)。基態(tài)是電子能量最低、最穩(wěn)定的狀態(tài)，而激發(fā)態(tài)則是電子吸收能量后所處的高能級狀態(tài)。當(dāng)電子從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)時(shí)，會釋放出光子，也就是發(fā)光。

那么問題來了，處于激發(fā)態(tài)的電子所在的原子里，原本就有這個(gè)光子嗎？如果沒有，躍遷時(shí)釋放出的光子又是從何而來呢？

1928 年，著名物理學(xué)家狄拉克在薛定諤方程的基礎(chǔ)上，提出了薛定諤方程的相對論版本，用于描述電子的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)提出了一個(gè)驚人的結(jié)論：真空就是一片“電子海洋”！

這個(gè)方程充分考慮了相對論效應(yīng)，成功解釋了原子光譜中的精細(xì)結(jié)構(gòu)，它就是大名鼎鼎的狄拉克方程。狄拉克方程的偉大之處不僅在于此，它還預(yù)言了正電子的存在。更重要的是，這個(gè)方程暗示了真空并非我們想象的那樣空無一物，而是蘊(yùn)含著豐富的物理現(xiàn)象。

5 年后的 1933 年，薛定諤和狄拉克因各自提出的方程，共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這是科學(xué)界對他們杰出貢獻(xiàn)的高度認(rèn)可。

那么，如何理解狄拉克方程所揭示的真空奧秘呢？從數(shù)學(xué)角度來看，求解狄拉克方程時(shí)，得到的解總是成對出現(xiàn)。也就是說，對于任何一個(gè)能量的量子態(tài)，必然存在另一個(gè)與之能量相反的量子態(tài)。

例如，如果有一個(gè)能量為 E 的量子態(tài)，那么就一定存在一個(gè)能量為 -E 的量子態(tài)。更讓人難以想象的是，從純理論分析，單個(gè)電子似乎能夠釋放出無窮多的能量，這在現(xiàn)實(shí)世界中是難以想象的，因?yàn)槲覀儚奈从^察到這種現(xiàn)象，而且 “無窮” 這個(gè)概念在物理學(xué)中往往缺乏實(shí)際意義。那么，如何解釋這種理論與現(xiàn)實(shí)的矛盾呢？

狄拉克再次展現(xiàn)了他天才般的洞察力，他提出了一個(gè)大膽而新穎的詮釋：電子遵循泡利不相容原理，即兩個(gè)電子不能處于同一個(gè)量子態(tài)。這就好比一個(gè)座位只能坐一個(gè)人，電子們也有各自的 “座位”（量子態(tài)），不能隨意擠占。

基于這個(gè)原理，狄拉克認(rèn)為，真空其實(shí)是一個(gè)充滿負(fù)能態(tài)電子的 “汪洋大海”。在這個(gè) “電子海” 中，所有的負(fù)能態(tài)都被電子占據(jù)，使得處于正能態(tài)的電子無法進(jìn)入負(fù)能態(tài)。從某種意義上說，真空就像一個(gè)被電子填滿的 “深淵”，表面看似平靜，實(shí)則暗流涌動(dòng)。

根據(jù)狄拉克的理論，正電子的存在也得到了解釋。

當(dāng)某個(gè)負(fù)能態(tài)的電子由于某種原因獲得足夠能量，從 “電子海” 中躍遷到正能態(tài)時(shí)，就會在 “電子海” 中留下一個(gè)空位。這個(gè)空位就像一個(gè) “反電子”，具有與電子相反的電荷，也就是正電子。隨后，其他正能態(tài)的電子可能會填補(bǔ)這個(gè)空位，在這個(gè)過程中會釋放出能量，以保證整個(gè)系統(tǒng)仍然處于真空狀態(tài)。

1932 年，物理學(xué)家安德森通過實(shí)驗(yàn)，終于發(fā)現(xiàn)了狄拉克理論預(yù)言的正電子，這一重大發(fā)現(xiàn)再次證明了狄拉克理論的正確性，安德森也因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

然而，狄拉克理論雖然取得了巨大成功，但也并非十全十美。

它面臨著一個(gè)亟待解決的問題：既然真空中充滿了大量電子，那么為什么我們從未檢測到這些電子產(chǎn)生的庫侖力呢？

而且，按照狄拉克的描述，真空中電子數(shù)量眾多，其蘊(yùn)含的能量應(yīng)該是無窮大的，但在實(shí)際測量中，真空的能量卻并非如此。

這個(gè)問題困擾了科學(xué)家們長達(dá) 20 多年，直到一種全新的理論出現(xiàn)，才為解決這些難題帶來了曙光，這就是量子電動(dòng)力學(xué)。

量子電動(dòng)力學(xué)是量子力學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，它將量子力學(xué)、狹義相對論和電動(dòng)力學(xué)完美統(tǒng)一起來，為我們揭示了真空更深層次的奧秘。根據(jù)量子電動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)，真空并不是絕對的虛空，而是充滿了隨機(jī)的量子漲落。

在量子化的電磁場中，由于海森堡測不準(zhǔn)原理（也叫不確定性原理）的存在，微觀粒子的位置和速度不能同時(shí)被精確確定，它們的不確定性乘積必須不小于一個(gè)常數(shù)。

這就意味著，即使在真空中，粒子的總能量也不會為零，而是存在一個(gè)最小的能量值，即零點(diǎn)能。由于真空中存在無數(shù)個(gè)這樣具有不確定性的微觀粒子，所以量子場的零點(diǎn)能實(shí)際上是無窮大的。

零點(diǎn)能的概念為解釋電子的自發(fā)輻射提供了關(guān)鍵線索。

在傳統(tǒng)觀念中，真空中似乎不存在光子，但由于零點(diǎn)能的存在，真空中實(shí)際上存在著不斷漲落的電磁場。這些量子漲落就像微小的 “漣漪”，雖然看似微不足道，卻能與高能級的原子發(fā)生相互作用。當(dāng)原子受到量子漲落的擾動(dòng)時(shí)，就會隨機(jī)釋放出光子，電子也隨之躍遷到基態(tài)。

所以，電子的自發(fā)輻射并非真的 “自發(fā)”，而是受到了真空中量子漲落的影響。

隨著研究的不斷深入，量子場論應(yīng)運(yùn)而生。

量子場論認(rèn)為，世間萬物本質(zhì)上都是場，就像我們熟悉的電磁場一樣，在四維時(shí)空中不斷振動(dòng)。以電子為例，在量子場論的框架下，單個(gè)電子不再被看作是一個(gè)簡單的粒子，而是電子場所對應(yīng)的一種表現(xiàn)形式。具體來說，電子其實(shí)是電子場振動(dòng)產(chǎn)生的 “能量包”，也可以理解為 “波包”。

這就解釋了為什么所有電子看起來都一模一樣，因?yàn)樗鼈儽举|(zhì)上都是電子場振動(dòng)的產(chǎn)物。不僅是電子，其他微觀粒子，如質(zhì)子、中子等，也都是各自對應(yīng)場的振動(dòng)所形成的。例如，存在電磁場、中子場、希格斯場等等，這些不同的場在時(shí)空中相互交織、振動(dòng)，產(chǎn)生了豐富多彩的微觀世界。

量子場論不僅能夠解釋微觀粒子的本質(zhì)，還為我們理解宇宙的起源提供了新的視角。根據(jù)這一理論，宇宙并非誕生于絕對的 “無中生有”，而是源于一種混沌的狀態(tài)，這種狀態(tài)就是各種場相互交織、相互作用的結(jié)果。

在量子力學(xué)不確定性原理的作用下，各種場會不斷受到微小的擾動(dòng)，這些擾動(dòng)會導(dǎo)致場的能量分布發(fā)生變化，進(jìn)而形成不同的能量包，也就是基本粒子。隨著時(shí)間的推移，這些基本粒子相互結(jié)合、演化，逐漸形成了我們今天所看到的豐富多彩的宇宙。從這個(gè)角度來看，真空作為各種場的基態(tài)，蘊(yùn)含著宇宙誕生和演化的關(guān)鍵信息。

讀到這里，可能有些讀者會提出疑問：按照傳統(tǒng)的理解，真空就應(yīng)該是什么都沒有，如果里面存在各種場的漲落和能量，那還能稱之為真空嗎？

其實(shí)，科學(xué)的定義并非基于我們的主觀想象，而是以客觀事實(shí)為依據(jù)。

我們可以用一個(gè)形象的例子來解釋：假設(shè)有一個(gè)絕對密封的盒子，我們想盡辦法將盒子里的所有物質(zhì)，包括空氣、微觀粒子、輻射、中微子等等，全部抽離出去，此時(shí)盒子內(nèi)部的狀態(tài)就是我們通常所說的真空。

但在量子力學(xué)和量子場論的框架下，即使在這樣看似空無一物的空間里，仍然存在著無法消除的真空零點(diǎn)能。這是因?yàn)檎婵樟泓c(diǎn)能是量子場的基態(tài)能量，它是量子力學(xué)不確定性原理的必然結(jié)果，無論我們采用何種技術(shù)手段，都無法將其從真空中移除。

所以，真空不但不是空無一物，反而比我們?nèi)庋劭梢姷默F(xiàn)實(shí)世界更加活躍。

在真空中，量子漲落時(shí)刻都在發(fā)生，虛粒子對不斷地產(chǎn)生和湮滅。這些虛粒子對可以從真空中 “賒借” 能量，短暫地出現(xiàn)，然后又迅速湮滅，將能量歸還給真空。只要整個(gè)過程持續(xù)的時(shí)間足夠短，符合不確定性原理的限制，這種現(xiàn)象就會不斷發(fā)生。

可以說，在微觀的量子世界里，真空就像一個(gè)充滿活力的 “舞臺”，各種奇妙的物理現(xiàn)象在這里不斷上演。

當(dāng)然，科學(xué)研究不能僅僅停留在理論層面，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證至關(guān)重要。

那么，有沒有實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃C明量子漲落的存在呢？答案是肯定的，著名的卡西米爾效應(yīng)就是一個(gè)有力的證據(jù)。

科學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將兩張非常薄的金屬片在真空中逐漸靠近，當(dāng)它們之間的距離縮小到一定程度時(shí)，金屬片會受到一種額外的作用力，促使它們相互靠近，就好像金屬片之間產(chǎn)生了引力一樣。

這種現(xiàn)象正是由量子漲落引起的。隨著金屬片之間距離的減小，金屬片之間的量子漲落受到擠壓，導(dǎo)致金屬片外側(cè)的量子漲落強(qiáng)度大于內(nèi)側(cè)。這種量子漲落強(qiáng)度的差異產(chǎn)生了一種壓力，推動(dòng)金屬片相互靠近。

從本質(zhì)上來說，量子漲落就是真空中場的擾動(dòng)，場的擾動(dòng)形成了具有一定波長的波。當(dāng)波的波長大于金屬片之間的距離時(shí)，這些波就會被擠出金屬片之間的空間，從而產(chǎn)生卡西米爾效應(yīng)。

回顧對真空的探索歷程，從最初簡單地認(rèn)為真空就是沒有空氣的空間，到后來發(fā)現(xiàn)真空中蘊(yùn)含著豐富的物理現(xiàn)象，人類對真空的認(rèn)識經(jīng)歷了一次又一次的飛躍。

從以太的假設(shè)到相對論的誕生，從量子力學(xué)對原子光譜的解釋到量子場論對真空本質(zhì)的揭示，每一個(gè)階段都凝聚著無數(shù)科學(xué)家的智慧和努力。科學(xué)家們堅(jiān)信，真空深處一定還隱藏著更多尚未被揭示的奧秘，這些奧秘可能關(guān)乎宇宙的本質(zhì)、萬物的起源等終極問題。

也許在未來的某一天，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，我們能夠揭開真空那神秘面紗的更多部分，屆時(shí)，我們對宇宙的認(rèn)識也將達(dá)到一個(gè)全新的高度。

正如《道德經(jīng)》中所說：“天下萬物生于有，有生于無。” 真空，這個(gè)看似空無一物的存在，很可能正是孕育宇宙萬物的神秘?fù)u籃。