Linvo
发表于 2024/5/4 12:48:08
什么才算真空？真空的七层理解，你在第几层？
什么是真空？一般人能想到的就是一块连空气都没有的空间。但对量子力学稍作了解的话你会知道，即使空间中什么都没有，但依然存在量子涨落，正所谓“真空不空”。那理论上是否存在绝对意义上的真空呢？现如今科学界对真空的理解又到了何种程度？这期我们把真空分成七个层次逐一解析，看看你对真空的理解到了哪一层。
第一层：真空 —— 没有粒子生活中涉及真空的场景其实有很多，比如真空包装、真空保温杯等等。工业上只要低于一个标准大气压的环境都可以称之为“真空”，只是根据气压不同它们可以划分为低真空、高真空、超高真空等不同的真空程度。比如中学时学过的“马德堡半球实验”，那个很多匹马都拉不开的金属球它里面就是一种高真空环境。
在大部分人想象中，只要我们把容器中的所有空气都抽走，一点不留，那应该就是真真空了。但是这种真空只能说是没有空气，并不代表真的空无一物。就像我们会把大气层以外的太空等同于真空环境，但实际上，太空中还存在宇宙射线等各种辐射和粒子，至少你能看到光就说明这里面肯定有光子。即便你隔绝了所有外界辐射（包括宇宙微波背景辐射），那容器本身也会存在辐射。毕竟只要不是绝对零度，所有东西理论上都存在热辐射。
所以呢，假如有一个完全封闭、里面一个粒子都没有，而且自身也不产生任何辐射的理想环境，那它确实算得上电磁学意义的绝对真空。只是这样的真空，现实中显然不存在。
第二层：真空不空 —— 虚粒子虽然现实中不存在电磁学意义上的真空，但假设有一处这样的真空存在，它里面真的就什么都没有吗？当然不是，实粒子虽然没有，但它里面还有虚粒子。
虚粒子是个什么东西？
相信不管你对量子力学了解有多少，“海森堡不确定性原理”你肯定有听过。它可以说是量子力学最核心、最底层的原理之一。简单来说它指的是：对于一些特定的物理量（算符不对易的共轭量），比如位置和动量、时间和能量，我们不可能同时获知两者的精确数值。
拿位置和动量来说，当我们精确测量出某个粒子的位置时，它的动量就无法准确测量，反之亦然。注意：这个“无法准确测量”不是说技术达不到，也不是被智子锁死了，而是理论上就不可能。这也是为什么该原理的名字从一开始的“测不准原理”改成了后来的“不确定性原理”。
同理，对于时间和能量这一对物理量，我们也无法同时确定。如果我们把时间限定在一个极短的尺度内（时间精确），那么能量此时就变得非常不确定了。这个现象即便对于真空来说也是一样：在极短时间内，真空的能量可能并不是 0，一些能量会凭空出现，表现出来就是真空中会随机产生一对正反粒子，这对凭空产生的粒子我们称其为虚粒子。
为什么是“虚”呢？因为它只停留在纸面上。就是说计算过程中发现，如果假想这里有俩粒子存在，那么整个过程描述起来会非常方便。而且关键是这俩粒子很快就会相互湮灭消失，凭空出现的能量又会还给真空，一切就和没发生过一样，这就是所谓的“真空量子涨落（quantum fluctuation）”。从这可以看出，“能量守恒”其实也不是铁律，它更多是从整体上来说的。
所以呢，宏观（时间尺度拉长）上来看，真空就是真空，里面没有粒子（实粒子）；但从微观（时间尺度缩短）来看，真空中充满了量子涨落产生的虚粒子，因此我们才说“真空不空”。
第三层：真空不空 —— 量子场你可能会有疑问：“虚粒子不是计算中假想的东西吗，那能算真实存在吗？”
没错，虚粒子只是一种假想出来的直观概念，并不是真实存在的实粒子。但是如果就其物理意义而言，这中间涉及到的相互作用是的的确确真实存在的。因为虚粒子对实粒子产生的影响（比如兰姆位移、卡西米尔效应等）是可以被实打实探测到的。所以可以认为，虚粒子真的存在，只不过不是以我们认为的那种形态存在。
其实当量子力学发展到下半场，物理学家已经将量子力学、狭义相对论、经典场论结合到了一起，整出了个集大成者的量子场论。在量子场论中，无论是虚粒子还是实粒子，它们都可以看做是场中出现的“涟漪”（量子场的激发）。区别只是：实粒子可以持续存在并且传播，是能够被直接探测到的；而虚粒子只是个短命鬼，一般只出来打个酱油就回去了，我们只能通过间接现象来确定其存在。
所以，从量子场的角度来看，不管你是实粒子还是虚粒子，真空始终伴随着一个东西 —— 量子场。
第四层：真空不空 —— 相对的真空就像相对论中没有绝对的时间，对空间来说真空或许也不是绝对的。
随着量子场论日趋成熟，物理学家开始考虑如何将广义相对论融入进去。就在探索弯曲时空的量子场论时，物理学家在理论上发现了一种可能存在的奇怪现象：当你在一个绝对零度的真空中加速运动时，你会发现此时的真空竟然有了温度！但这个温度仅限于你的视角，对于外界观测者来说，这片空间仍然是没有温度的真空（除了虚粒子外没有任何辐射）。这种温度取决于参照系选择的奇怪现象称为“安鲁效应（Unruh effect）”。
在广义相对论中，加速度和引力场是等效的（等效原理）。那在一些超强的引力场附近（比如说黑洞），它就可能会因为安鲁效应而使自身产生热辐射，也就是黑洞有了温度。如果黑洞有温度，那它势必会向外释放能量（实粒子），这些能量哪来的呢？没错，虚粒子转化来的。这便是“霍金辐射”的真正由来。
所以呢，真空空不空（里面是只有虚粒子，还是有实粒子），这甚至完全取决于你如何选择参照系。
多说一点，平时我们讨论真空，为什么不额外考虑参照系问题呢？因为虽然理论上没有一个“绝对参照系”（牛顿的绝对时空），但是有一个东西确实比较特殊，在考虑宇宙演化等大尺度问题时经常会拿来当做“参照标准”，它就是宇宙微波背景辐射（共动坐标系）。经常有人问“宇宙年龄的时间是相对谁来说的”，这里你就可以理解成是相对于背景辐射来说的，它就是宇宙自己的时间，也叫“宇宙时（Cosmic time）”。由于地球的引力场非常小，相对论的钟慢效应非常微弱，所以我们可以把它和背景辐射放入同一个参照系。真空也是如此，通常情况下安鲁效应对真空的影响非常有限，甚至根本探测不到（霍金辐射至今也未被验证）。
第五层：真假真空 —— 假真空衰变刚才我们说真空中存在着各种量子场，对于绝大多数量子场来说，它们都有个最低能量态，叫做“基态”。处于基态的场能量最低，也最稳定。但我们的宇宙中有一种场，目前处于的并不是稳定的基态，它就是赋予了基本粒子质量的希格斯场。虽然希格斯场的状态目前已经维持了 138 亿年，但既然它不在最稳定的基态，那说明这种稳定只是暂时的（亚稳态），它随时可能掉落到能量更低的状态上。
所以你可以认为，目前宇宙中的真空其实都是“假真空”。也许有一天，某处希格斯场的势能突然落到了更低的态上（空间发生相变），此时“假真空”便会成为“真真空”。之后，这股势头将会以近光速向四面八方蔓延，这种现象被称为“假真空衰变（False vacuum decay）”。真空衰变有点类似二向箔的效果，整个空间以光速向二维跌落，并且不会停止。但和二向箔不同的是，真空衰变会使得很多基本粒子失去质量，宇宙万物将因此灰飞烟灭，整个物理学也将被彻底改写。
总之，当希格斯场跌落到更低的基态时，空间将变成真正的真真空。
第六层：不同真空 —— 弦论中的真空虽然现如今量子场论足以应对大部分情况，但是在面对一些极端问题时，我们不得不寄希望于未来的终极理论（万物理论，ToE）。作为终极理论候选者中的明星，弦理论虽然一直饱受争议，但它从数学角度为我们理解真空乃至整个宇宙提供了全新的视角。
当年在研究超弦理论的过程中，弦论学家们发现我们的世界应该是十维的。可是从相对论来说，就算把时间算上这也才四维（三维空间加一维时间构成四维时空），另外的六维去哪了？正当弦论学家们一筹莫展的时候，华裔数学家丘成桐提出的“卡拉比-丘流形（Calabi–Yau manifold）”让大家眼前一亮。很快，他们搞出了一篇名为《超弦的真空结构》的论文。
弦论学家们认为：由卡拉比-丘流形构成的卡拉比-丘空间，它的维度不同于普通的三维空间，卡拉比-丘的维度是有大小的（紧致化），并不能无限延伸。之前多出来的六个维度之所以找不到，正是因为它们蜷缩在了微观的、小到普朗克尺度的卡拉比-丘空间中。
原本一切看似非常完美，但不出意外的话意外就要出现了：这个卡拉比-丘流形并非只有一种，目前认为它的数量即便不是无限多，那也是个相当庞大的天文数字。这些不同种类的卡拉比-丘流形会形成具有不同物理定律的独特空间，而我们的宇宙属于其中的哪一种，没有人知道。弦论的这一怪异结果似乎从另一方面预示着多元宇宙或许真的存在。所以呢，在这些不同的宇宙中，它们有着不同的物理定律，包括真空的概念也不尽相同。
第七层：真空的终结 —— 虚无其实在引入卡拉比-丘流形之前，弦论学家们已经发现有些额外维度只能存在于微观（紧致化）。由于微观上存在量子不确定性，这些额外维似乎也不能稳定存在。
1982 年，在一篇讨论“卡鲁扎-克莱因空间不稳定性”的论文中，后来的“M 理论之父”爱德华・威腾提出了一种比“假真空衰变”更可怕的衰变。威腾发现，在卡鲁扎-克莱因理论描述的真空中，当额外维度一旦缩小到超过某个阈值时，真空会坍缩成一个点，此时维度将不再存在，这里就是真空的终结。
不同于黑洞那种四维时空的引力奇点，这个衰变形成点虽然刚开始是个点，但它会以光速迅速膨胀变大。更神奇的是：虽然它会变大，但因为它本身已经失去了维度，所以对我们来说它不管变多大，仍然是一个“点”。
这就是卡鲁扎-克莱因真空衰变的可怕之处：相比黑洞的奇点，它不只是终结了时空，同时还能让这种终结向四周围蔓延；而相比假真空衰变，这种衰变不是让真空的状态发生了改变，而是直接“消灭”了真空！
如果说宇宙大爆炸形成的空间只是狭义上的我们熟悉的空间，那么“空间的终结”意味着就连广义上的任何形式的空间都将不复存在。难道这就是传说中的“虚无”？
论文 & 综述
[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 & 新闻
[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
本文来自微信公众号：Linvo 说宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo