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真空是什么？在物理上真空就是什么也没有，没任何物质、粒子，甚至是任何东西也不存在（除了时空外），是接近完全的虚无的状态。这种状态，在现实物理学世界中存不存在呢？ 真·真空的辩论真空顾名思义就是一个没任何物质的空间状态。由古希腊开始，人类就不继地争论着所谓真·真空究竟现实上有没有可能存在。当中哲学家亚里士多德提出「自然界厌恶真空」的假说，认为自然界不存在真空这东西。不过受当时科技和物理知识的限制，当时这些争论只流行于哲学层面或思想实验阶段，直到17世纪西方才真正开始出现物理实验的相关研究。 1641年，意大利物理学及数学家托里拆利做实验去验证伽利略的研究，在一条长管中注满水银，用手指把一面开口堵住，然后迅速地将管口倒转放于一个装满水银的盆中。这实验中他发现管中水银柱的末端大概为76公分高，而这时候玻璃管最上端没水银的地方则呈现出局部真空的状态。这实验叫托里拆利实验，而该器材就是人类最早发明出的气压计。接着没多久后德国物理学家兼市长格里克受启发，提出马德堡半球实验，发明了人类第一个真空泵。 后来随着科学技术的发展，人类开始逐渐掌握及改良制造真空的技术，现在已经可以在局部空间做出不同程度的真空状态。虽然如此，但真·真空存不存的辩论是不是就如大部分人所想般已经有了定论（大部分人认为真空状态下空无一物），亚里士多德的假说是不是就寿终正寝呢？ 真·真空其实「有很多东西」答案其实并不简单，虽然在宏观上真空看起来好像什么也没有，但当放大到量子力学层面时，真空其实比你想象中复杂多。即使将一个空间内的所有物质、空气抽出，甚至把该空间跟外界完全隔绝，空间的温度达至绝对零度，这空间也不会是完全什么也没有的真·真空。根据量子场论，宇宙中的空间无时无刻都充斥着很多不同大大小小的量子场，每一种基本粒子对应着一种量子场，就如正电子和反电子为狄拉克量子场的局部激发态般。 图片来源网络 一般理解真空既然什么也没有，内在的量子场在所有地方全部处于基态，那很自然你或会想这真空态的能量值应该为0。不过事实其实并非如此。根据量子力学的不确定性原理，任何物理态的能量值会存在着一定的波动，时间间隔愈短，能量的波动便愈大，见下图公式1。所以即便是真空，内在的量子场也会有一定的波动存在，有点像根据热力学定律你永远没可能达至绝对零度般。虚粒子便是这些波动在量子场学中的诠译。在「你不为意」的一瞬间，真空的能量波动可以异常巨大，「凭空」衍生出很多一对又一对正反虚粒子出来。之所以衍生出的必须为一对对正反粒子是因为系统需遵守对称守恒定律。不过当你再观察该真空系统的时候，这些正反虚粒子便会在瞬间相撞相消掉，所以现实你不会观察到它们的存在。虚粒子虽然叫「粒子」，但其实它们跟真实存在的粒子不大一样，严格上来讲不是粒子。 公式1 或许你会质问我们又观察不了这些如鬼魅般的虚粒子过客，那有什么证据证明它们是「真的存在」而不是物理学家胡扯出来的啊？事实上虽然我们并不能看到这些虚粒子，但它们会跟真实存在的粒子发生相互作用，而物理学家则可以通过研究这些相互作用去验证虚粒子的存在。最早的实验验证是在1947年由兰姆跟其学生卢瑟福测量到，描述氢原子中电子轨域2^ S和2^ P细微能量差异的兰姆位移。如果用狄拉克方程描述氢原子的话，理论上这两个能阶的能量应该是完全一致才对。不过根据量子电动力学，氢原子核跟电子中间存在着一对对虚电子和虚正电子的真空波动，这些波动会某种程度屏蔽氢原子核的电势。由于电子处于2^ S轨域时跟原子核的距离跟处于2^ P时的不同，所以真空波动导致的屏蔽效应大小会不同，而这差别便是兰姆位移背后的成因。 所以真·真空其实不存在，真空其实拥有能量，即零点能量$，存在着无数多真空波动，亚里士多德的假说终于获得平反了！ $ 虽然名叫零点能量，但真空能量的绝对值不一定为0。事实上真空能量的绝对值是多少仍是物理学界未解的大谜团之一。 真空不单是「有很多东西」，而且还是相对的除了是有能量，不是完全没任何东西外，真空其实还是一个相对的概念来。试想象以下情况：真空中有两片平行、不带电荷的金属板很靠近的放在一起。这两片金属板的存在，会令板内侧局限空间的电磁波真空波动受边界条件限制，出现了筛选机制，只有短过某波长、属特定驻波态的真空电磁波才可以在内存在，相反外侧的则不受限制，如上图。由于金属板外侧的电磁波真空波动模式会比内侧的多，真空态不一样，于是内外的真空能量出现差异，外侧因为虚光子碰撞金属板形成的光压会比内侧的强，结果就是金属板会感受到一种无形的吸引力。这现象便是著名的卡西米尔效应，由荷兰物理学家卡西米尔在1948年提出，及后在1996年经实验测量证实。
既然真空有能量，那我们有没有办法将虚粒子变成真实存在的粒子，无中生有地从真空中获取能量呢？答案是：有的，不过并不是你所想那般，而且根据热力学定律不会是无中生有，需要先在真空制造边界条件打破热平衡，做成局部的能量差异，过程中付出的能量亦不会多于你从真空获取得到的。这方法便是如下段描述的应用动态卡西米尔效应：
著名的黑洞霍金辐射跟这效应便是相类似。大家听过广义相对论中的等效原理吗？（可以参见我的文章：《主宰宇宙命运的不凡理论-广义相对论。时空、黑洞、大爆炸、能量》）。由于身处一个加速中的非惯性座标与身处一个静止中的重力场局部上是没分别的，所以动态卡西米尔效应背后的原理亦可适用于解释霍金辐射的成因，而霍金辐射相对应要付出的能量则源自黑洞的重力场。 总结：真空不空，且没一个绝对的定义希望大家看罢小弟的拙文后，加深了对真空的了解，能达到「十年聚首龙峰寺，一悟真空万境闲」的境界啊！（《送临安南荡崇觉空禅师偈》） |
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