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深度長文:真空的本質到底是什麼?
2023/08/17

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真空,字面意思理解就是「什麼都沒有」,但是果真存在這樣的真空嗎?真空里確實沒有空氣,這個大家都知道,但真空是不是真的「什麼都沒有呢」?如果存在某些東西,到底是什麼呢?

現代科學研究結果表明,真空不但不是「什麼都沒有」,甚至恰恰相反,真空里暗藏的東西超乎我們想象,甚至比我們看得見的物質世界更加活躍!

讓我們先從17世紀的一個實驗說起。

1643年,科學家托里拆利做了一個這樣的實驗,實驗過程很簡單。把裝滿水銀的玻璃管倒扣裝滿水銀的盆子里,玻璃管長1米。結果他發現玻璃管中的水銀柱會下降到76厘米的高度。上面24厘米的玻璃管內被認為就是真空,這也是人類歷史上有記載的首次創造出來的真空。

那24厘米高的真空確實不會有空氣,但除了空氣之外,其他什麼都沒有了嗎?真的是絕對的真空嗎?

隨著物理學的不斷發展,人們對真空有了更深的認知。1800年,托馬斯楊做了一個著名的實驗,雙縫干涉實驗, 結果表明光是一種波,而不是粒子

而在當時人們對波的認知早就根深蒂固:任何波的傳播都需要一定的介質,比如說水波的傳播介質就是水,而聲波的傳播介質是空氣。于是,人當時的人們堅定認為光在真空中傳播,一定也需要某種介質。科學家把這種介質定義為「以太」。

以太只是假設的概念,當時的人們假設 以太保持絕對靜止,而且在宇宙中無處不在。在這種情況下,當我們以不同的速度相對以太運動時,測量到的光速肯定是不一樣的。實際上這就是相對性原理,也就是伽利略變換,簡單來講就是平時我們經常用的速度疊加,伽利略變換是經典力學的根基,牛頓經典力學就是以相對性原理為基礎建立起來的,而伽利略變換是很重要的一個環節。

相對性原理,或者說伽利略變換非常符合人們的日常生活經驗,舉個簡單的例子,你乘坐一列火車,火車速度是V1,你在火車上朝著火車行駛的方向奔跑,速度為V2,我靜止在地面上。那麼在我眼里,你的速度就是火車速度加上你奔跑的速度,也就是V1+V2。

這表明任何速度都是相對的,都需要有參照系才有意義。

但是麥克斯韋方程組的橫空出世,徹底顛覆了人們的傳統認知,該方程組推導出來的光速計算公式中,根本沒有任何參照系,光速是一個常數,只與真空的磁導率和介電常數有關。說白了, 光速是絕對的,在任何參照系下都保持不變

顯然,光速的這個特性與相對性原理和伽利略變換相悖,也與人們的日常生活認知相悖。當時的物理學界大佬都試圖調和麥克斯韋方程組與牛頓經典力學之間的矛盾,認為

光的參照系就是絕對靜止的以太。

但物理學界大佬們知道,以太只是一個假設的概念,必須證明以太確實存在,否則就沒有意義,這就是所謂的「大膽假設,小心求證」。

于是,物理學界大佬開始通過各種實驗試圖證明以太的存在,但是不證明不要緊,在試圖證明的過程中,越來越多的實驗都表明以太根本不存在,比如說著名的 邁克爾遜莫雷實驗

而如果以太真的不存在,只會帶來一個結果:牛頓經典力學是錯的,起碼是不嚴謹的,具有局限性的。

而當時的物理學界早就視牛頓力學為神明,很難對牛頓力學有絲毫懷疑。後來還是神一般的愛因斯坦站了出來,秉承著「如無必要勿增實體」的原理,用奧卡姆剃刀把「以太」直接「咔嚓」掉了,在 光速不變原理的基礎上,相對論也應用而生。

當然,愛因斯坦提出相對論的具體過程絕非如此簡單,大家明白就行了。

當然,這個話題其實與真空沒有太大關系,只是表明了科學家假設的以太并不存在。既然以太不存在,問題就來了:真空中沒有以太,還會有什麼呢?

接下來該 量子力學登場了。

先來說說原子譜線的概念。早在十九世紀,科學家們就發現了一個現象:給氣體施加高電壓,就可以發光。這是因為氣體原子在高電壓的作用下獲得了能量,然后又會通過發光的方式把能量釋放出來,其實這也是霓虹燈的工作原理。

不同的原子發出的光的顏色也不盡相同,而特定頻率的光就構成了原子的發射光譜。在所有的原子當中,氫原子是最簡單的,因為它僅僅包含一個質子和電子,因為氫原子的光譜被研究得最多。

科學家巴爾末在1885年終結出來一個公式,可以計算出氫原子在可見光內譜線的頻率,不過當時的科學家們并不知道公式的真正物理含義,只知道那是一個數學公式。

終于,在1913年物理學家玻爾提出了關于氫原子的玻爾模型,首次解釋了公式的物理含義。不過玻爾模型嚴格來講只是一個半經典理論,而且只適用于氫原子,當遇到更重的原子時,就顯得無能為力了。

而之后薛定諤提出了著名的 薛定諤方程,這個方程完全突破了經典理論,完全用量子力學思想詮釋了氫原子的光譜。具體是如何詮釋的呢?

簡單來講,氫原子外圍的電子受到庫侖力作用,被束縛在質子附近,這時的電子處于一種「束縛態」,被牢牢地束縛著。而這些束縛態是具有能量的,也就是能級。而通過求解薛定諤方程,就可以計算出能級對應的能量。而剛才所說的巴爾末公式中可見光區的譜線頻率,對應的就是高能級電子躍遷到第二能級時釋放出的光的頻率。

毫無疑問,薛定諤方程對氫原子譜線的詮釋是很成功的,背后其實也意味著量子力學的成功。但在成功的背后,科學家們通過之后的實驗發現了薛定諤方程仍舊無法詮釋的問題,也就是說,薛定諤方程的詮釋并不是完美的,仍舊存在瑕疵,具體是什麼瑕疵呢?

簡單來講, 薛定諤方程詮釋的玻爾模型,并不能詮釋氫原子能級里面更深入的精細結構。當科學家們用更加精密的儀器觀察之前的譜線時,發現每條譜線其實都是由更小的譜線組成的。

按照薛定諤方程的詮釋,無論電子處于什麼能級,如果沒有任何外部環境的干擾,就會一直保持在該能級不變,當然也不會自發地躍遷到更高或者更低的能級。

不過,在實驗當中,科學家們發現了一個詭異現象,高能級的電子,即便是在真空中,仍舊會有一定的幾率發生躍遷,到達更低的能級,這個過程是自發進行的,沒有任何外部干擾,這種現象也被稱為「自發輻射」

或者「自發躍遷」。

顯然, 真空中一定存在某種東西在干擾高能級的電子,那麼到底是什麼東西呢?真空中難道真的存在某種東西?

首先我們來簡單捋一下電子躍遷的過程。電子通常有兩種狀態: 基態和激發態。通俗來講,基態是更穩定的狀態,也就是能量更低的狀態,低能級。而激發態是能量更高的狀態,也就是高能級。

當電子從激發態躍遷到基態時,會發光,也就是說會釋放出光子。既然這樣,是不是就意味著,處于激發態的電子所在的原子里本來就有一個光子呢?

如果沒有光子, 電子躍遷到基態時發出的光子又是從哪里來的呢?

是時候到狄拉克登場了,著名物理學家狄拉克表示: 真空就是電子海!

在薛定諤方程的基礎上,狄拉克在1928年提出了薛定諤方程的相對論版本,用來描述電子的運動,正是考慮到了相對論效應,

狄拉克最終成功解釋了原子光譜里的精細結構

而該方程就是很多人都聽說過的狄拉克方程,這個方程足夠偉大,因為它還預言了正電子的存在,同時更暗示了真空不但不空,甚至恰恰相反,真空中有著異常豐富的各種物理現象,遠遠超乎我們對真空的傳統理解。5年之后的1933年,薛定諤和狄拉克兩人因為各自提出的方程獲得了諾貝爾物理學獎,也是對他們兩人的褒獎。

那麼,該如何理解狄拉克方程呢?繁瑣的物理解釋就不多說了,通俗理解是這樣的。求解狄拉克方程,得出的解總是會成對出現。也就是說,任何一個能量的量子態,一定會有另一個相反的量子態與之對應。舉個例子,如果能量為E,那麼一定存在能量為負E的量子態。

更不可思議的是,純理論分析,即便是單個電子,也能釋放出無窮多能量,這在我們看來是不可能的,非常荒謬,因為現實世界里科學家從來沒有觀察到單個電子能釋放出無窮多能量,而且「無窮」

這個概念只存在數學概念里,物理學上并不存在,也沒有具體的意義。

如何解釋這種矛盾呢?

不得不說狄拉克真的是天才,他給出了自己的詮釋: 電子遵循泡利不相容原理,通俗來講就是,兩個電子不能位居同一個量子態。其實并不只是電子,其他微觀粒子也有這種特性。

這也就意味著,如果電子占據了所有的負能態,處于正能態的電子就不能進入負能態了。進一步來講,真空遠不是什麼都沒有,而是到處充滿了負能態電子的「汪洋大海」!

正電子照片

狄拉克理論無疑是偉大的,它準確預言了 正電子的存在,具體可以這樣通俗理解。不知道什麼原因,某個能量為負E的電子隨機離開了負能電子海,就會留下一個空位。接下來能量為E的正能態電子就會填補上去,然后釋放出2E的能量,以保證整個系統仍然處于真空的狀態。

而留下來的空位其實就是正電子,也是電子的反粒子,因為我們平常所說的電子都是帶負電的。物理學家 安德森在1932年終于發現了狄拉克理論預言的正電子,也因此獲得了諾貝爾物理學獎!

不過狄拉克理論還有一個問題沒有解決:既然真空中充滿了很多電子,為何科學家從來沒有發現帶負電荷的電子形成的庫侖力呢?還有,如此的電子,意味著真空的能量并不是零,而應該是無窮大才對,但科學家從來沒有測量到真空的能量為無窮大。

科學家們為此苦惱了20多年,一直沒有任何新的進展,直到一種全新的理論出現,它就是量子力學的加強版, 量子電動力學

該理論表明,真空其實一點也不空,而是充滿了隨機的 量子漲落。新的量子理論完成了對量子力學,狹義相對論和電動力學的統一,同時也成功詮釋了原子輻射的問題,更是揭示了真空中隱藏的奧秘。

根據量子電動力學的詮釋,電磁波并不是經典的,而是量子化的,這讓電磁場具有很多讓我們看起了非常詭異的特性,最典型的就是海森堡測不準原理,或者說不確定性原理。

該原理表明,任何微觀粒子的都不能同時具有確定的位置和速度,位置和速度的不確定性的乘積必須不小于一個常數,這個常數很小,但總是大于零的。這就是 不確定性原理

不確定性原理意味著,無論在什麼情況下,粒子的總能量都不會為零,而這種能量其實就是 零點能。而在量子化的電磁場里,擁有無數個處于不確定性的微觀粒子,所以量子場的零點能其實是無窮大的。

零點能的概念可以很好地詮釋電子的自發輻射。雖然理論上真空中并沒有光子,但由于零點能的存在,真空中一定會存在電磁場,這其實就是量子漲落。

量子漲落會與高能級的原子發生作用,受到擾動的原子就會隨機釋放出光子,然后電子就會躍遷到基態。這也說明了一點,電子并不是真的自發釋放出光子,而是受到了量子漲落的擾動才釋放出來的。

隨著研究的不斷深入,也催生了 量子場論的誕生。量子場論認為,所有的物質本質上都是場,就像電磁場那樣的場,在四維時空中不停地振動。在這種背景下, 單個的電子并不再是粒子,而是電子對應的場,也就是電子場。

說白了,所謂的電子,并不是「子」,其實只是由于電子場振動產生的「能量包」而已,也既是「波包」。這也能解釋電子為何總是一模一樣的,因為電子其實就是電子場的振動產生的能量包。

不僅僅是電子,任何微觀粒子都是如此,不僅僅有電子場,還有電磁場,中子場,希格斯場等,這些場的振動都會形成不同的基本粒子。

量子場論也能解釋宇宙的起源。 宇宙并不是誕生于「無中生有」,而是誕生于「一片混沌」,這種混沌狀態就是各種場的交織狀態。而根據量子力學的不確定性,任何形式的場總是會受到擾動,受到擾動的場就會形成不同的能量包,也就是基本粒子。世界就是這麼誕生的!

看到這里,或許很多人會不服氣,真空本應該是什麼都沒有,如果有什麼東西,就不能定義為真空。那麼,充滿量子漲落的所謂「真空」狀態就不應該叫做「真空」。

不過,任何問題都應該是事實為標準,而不是憑空想象,更不是主觀臆斷就下結論。可以用一種通俗的方式來解釋,假設存在一個絕對密封的盒子,我們通過各種方式把盒子里面的物質全部抽出來,不管用什麼方式,總之能把所有物質都抽出來,包括所有的微觀粒子,各種輻射,中微子等。

最終盒子里的狀態就是真空。

那麼,這種真空狀態就是「什麼都沒有了嗎?」

按照我們傳統的思維方式,確實是「什麼都沒有」。所有的物質都全部移除了,就不可能有任何東西了。但不要忘了,量子力學以及後來的量子場論就是這麼奇特,我們不能用傳統的思維去衡量量子力學支配下的真空狀態。

在量子力學不確定性支配下的真空狀態下,所謂的真空其實擁有最基本的能量,也就是處于基態的能量,也就是 真空零點零,這些能量是我們永遠移除不掉的

也就是說,真空不但不空,甚至不現實世界更活躍,因為真空中充滿了量子漲落,而量子漲落本質上就是能量,真空零點能。具體來講,虛粒子對可以向「真空」賒借能量,隨機衍生出來,然后瞬間湮滅,把能量歸還給真空,只要整個過程持續的時間足夠短,大自然一點也不在乎,也不反對。

這種現象其實也是不確定性的一種表現形式:在足夠短的瞬間,任何事情都可能發生,而且在足夠長的時間里,一定會發生!

但是,空口無憑,量子漲落真的存在嗎?科學是嚴謹的,證據很重要,這就需要實驗來證明。

其實科學家們早就找到了量子漲落現象存在的證據,那就是著名的 卡西米爾效應,相信很多人都聽說過。兩張非常薄的金屬片,在真空中不斷靠近,靠近到一定程度,量子漲落的力量就會推動金屬片靠近,就好像兩者產生了引力一樣。

為什麼會這樣?因為隨著兩張金屬片不斷靠近,金屬片之間的量子漲落會被擠壓出一部分,結果就會表現出金屬片外側的量子漲落強于內側的量子漲落,于是就會對金屬片產生推力。

說白了,量子漲落的本質就是真空中場的擾動,場的擾動會形成波,而波是有波長的,當波的波長大于金屬片之間的距離時,就會被擠壓出去!

總結

到這里,關于真空的分享就告一段落了,洋洋灑灑幾千字,其實遠沒有觸及真空的本質。本人并非科學家,只是科學愛好者,盡自己最大所能向大家分享有關真空的知識。

科學家們堅信,關于真空,一定存在更多更具顛覆性的奧秘,甚至大膽預言,真空蘊藏著世界的本質,宇宙的起源等終極奧秘,所有的未解之謎幾乎都可以在真空中找到答案!

最后用《道德經》中非常著名的一句話來總結: 天下萬物生于有,有生于無!

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