真空不空 什么是真空？从古希腊时代开始就是一个常常争议的哲学议题。 在日常生活中，人们所说的“不存在任何东西”或“空无一物”是以人的视觉为参考，没有涉及气态物质（大气）。 按照经典物理，真空可以被理解是没有大气的封闭空间。比如热水瓶瓶胆的两层玻璃之间被抽成了真空，由于没有了大气便无法进行热传导，所以能够保温；再比如钨丝电灯泡中是真空，灯丝因为缺乏氧气才不致于被很快地烧尽。现在，真空已经成为一种有价值的工业工具或实用技术。 由于我们人类生活在被大气层包围着的地球环境中，经典物理就是以我们的生存环境和我们自身对环境的反应（相当于相互作用）为参考，用大气密度、气压高低来描述真空。现代物理学突破了大气层的限制，物理学家们考虑的是宇宙空间是否是真空的问题。 实际上，宇宙中充满了辐射能量，有各种各样的宇宙射线，及各种频率的电磁波以及我们所熟悉的可见光波，所以在量子场论中的真空不空。当QED引入了粒子数算符以及生成湮灭算符等，真空被定义为“在任何湮灭算符作用下都得到基态”的一种量子态——称为真空态，它的各种粒子数都为0。但是，由于量子物理有一个不确定性原理，即使没有粒子没有辐射也仍然存在量子涨落，也就是真空态同样具有能量——称为零点能或真空能。 零点能的概念最早出现在普朗克1912年发表的一篇文章中，原意是指量子系统处于基态（绝对零度）时所拥有的能量。在量子场论的语义下，零点能与真空能是一致的。 爱因斯坦用普朗克的辐射公式计算氢分子比热 普朗克1900年解决黑体辐射问题时，从统计力学推导出了黑体辐射公式。后来他在1911-1913年发表的一系列论文里阐述他的"第二量子理论"。他在重新推导的能量辐射子的平均能量中，给出的零点能量是：(1/2) hn，其中h是普朗克常数，n是量子谐振子的频率（见上图中的公式）。 按照普朗克新的辐射公式，量子系统所拥有的能量不能低于零点能。但普朗克当时并非很在意这个(1/2) hn，恰恰是在研究统计中涨落公式的爱因斯坦引起了注意。爱因斯坦说“零点能可能真的存在！”于是他和他的助手奥托·施特恩一起写了一篇文章，假设双原子分子的旋转能含有零点能，并且所有双原子分子以同样角速度旋转，然后计算出双原子分子气体的比热。将氢气的理论比热与实验数据相互比较（见上图中的曲线），证明了零点能存在的必要性（据说后来因为保罗·埃伦费斯特给出更具一般性的计算，他们撤回了那篇论文）。 1927年，海森堡提出不确定性原理——动量和位置不能同时确定，从量子力学基础理论的角度证明了量子系统不可能没有零点能。根据不确定性原理，考虑一个处于谐振子势阱中的粒子，因为它的位置被限制了，动量便不可能为零，也就是基态的能量不可能为零。因此，零点能与不对易关系紧密相连。如果用数学语言讲，零点能就是量子系统因为动量与位置不对易所引起的能量不确定性而产生的非零期望值。 在量子场论中，每个时空点都被看作是量子化的简谐振子，并与相邻振子有相互作用，每个谐振子的真空期望值为1/2(hn)（真空模型图示意的是约化普朗克常数和角频率的乘积）。因为谐振子可取的频率值为无穷多，从而可以导致无限大的零点真空能量。 真空模型 如果用费曼图来描述真空，则是各种各样所有可能的（单圈或多圈）圈图，（真空模型图展示了圈图的几个例子）。这些圈图表示了真空中无休止的量子涨落：各种粒子在泡沫式的真空海洋中，随机生成又瞬间湮灭，它们被称为虚粒子。 量子场论中的虚粒子是为了理解量子系统内在的物理过程，在理论上虚构或假想的、不可观测的粒子。它与一个所谓的“在壳离壳”（On shell and off shell）概念相关：物理系统中满足经典运动方程的位形称为是在壳的，而其它的则称为是离壳的。这里的“壳”是指质能关系式E2- p2 = mc2（真空光速c取值1）在能量-动量空间中描述的双曲面。满足质能关系式的为“在壳”，否则便是“离壳”。 费曼图中的在壳和离壳 在费曼图中，可以简单地判定是否在壳或离壳。从图中看，外线（入射、出射）表示的粒子是可观测的实粒子，属于在壳；而内线（绿色线）表示的是离壳的、不可观测的虚粒子。 无中生有地引入虚粒子，实际上是为量子场论中繁杂的数学计算而建立的一种解释性的直观概念。固然，不仅仅真空布满了虚粒子，实粒子之间的许多相互作用过程也少不了它们。比如电子-电子散射问题便是一例：不同于经典理论，即使我们以为在脑袋里有清晰图像的实粒子（电子、光子等），在量子世界中也表现出难以理解的反常行为，何况还是“虚粒子”呢！ 物理学的目的之一是追本朔源：世界万物是由哪些基本成分组成，这些成分之间又是如何相互作用？几百年来的探索总是在“粒子”和“场”两种形态之间徘徊。量子场论选择了以场为本，认为世界的本质是场，每种基本粒子都有一种场与其相对应，粒子不过是波澜起伏的场中被激励而出现的“涟漪”。 引进“虚粒子”的目的就是为了回答“相互作用是如何发生的”。例如，当两个电子互相接近时，它们会因为带有相同负电荷而相互排斥，这种排斥显然要通过电磁场（光子）来实现，但我们并看不到它们互射（真实的）光子。 那么，量子电动力学如何来描述这个排斥作用发生的过程呢？ 在QED中，有不可分离的电磁（光子）场和电子场，“场”布满了整个时空。有了场就避免了经典物理中的超距作用。但是，两个场之间相互作用的计算要比粒子与粒子之间作用的计算复杂得多，它们的直观图像也不容易想象。也许可以打个不恰当的比喻：一锅白米粥与一锅黒米粥混在一块儿，沸腾后不停地冒泡使得“粥”分子之间相互影响，“涟漪”诱发“涟漪”，再诱发新的“涟漪”，将初始形态不断传播后构成最后的状态。
一个虚光子对应一个复杂的积分 两个电子通过电子场和光子场互相作用而散射，其物理量的具体计算非常困难。费曼是个天才，他能从中识破天机，将整个相互作用按照作用大小分成不同等级的许多项。这些项对应于路径积分中的多种可能性，即对电子散射有贡献的项数有无穷多。但是，最大的贡献只来自于前几项。 不过，即使是计算电子-电子散射时的第一项，也对应了一个四维空间中的复杂积分。为了在语义上简洁，物理学家将这种复杂的数学计算过程表述为“两个电子交换了一个虚光子”，既直观、又符合费曼图，而且可以使你明白什么是虚粒子。 当然，虚粒子和费曼图虽然直观，但并非一定是完全准确的描述，真实的量子世界可能远不是这么简单。但人们的头脑需要直观的想象，费曼图提供了一个量子世界的参考图景，还有助于列出计算公式，为定量分析带来了方便。 量子场论中的真空被定义为所有的粒子数都为零，不存在实粒子，但真空存在1/2(hn)的基态能量。这些基态能（零点能）被理解是充满了无穷多的、不停变换的虚粒子。虚粒子的效应（或称真空涨落）可以通过与实粒子的相互作用被实验手段探测到。例如，真空涨落将引起电子磁矩偏离简单的玻尔磁子，ae =(g－2)/2，称为反常磁矩。 兰姆位移 兰姆位移也证实了真空涨落和零点能的存在。兰姆位移的值约为1000兆赫（MHz），是很小的能量差。在玻尔模型中，氢原子光谱是一个简并的能级；在狄拉克相对论理论下，氢原子光谱分裂成精细结构。更为精细的兰姆位移可以用QED理论解释（量子场论中的相互作用按照作用大小可以分成不同等级的许多项，这意味着兰姆位移总是存在，比兰姆实验探测到的能级差更小的情况也总是存在）。计算表明，氢原子基态能级是13.6ev，精细结构只有基态数量级的十万分之一，兰姆位移又只有精细结构的十分之一。 对应于电子自能和真空极化，用费曼图示意兰姆位移可以直观理解是真空中的微小零点振荡，“抹开”了原子的电子云，库仑位势被摄动了，使得两个能级（2s1/2，2p1/2）的简并性被破坏。 |
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