75、真空

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牛顿时代的真空是空无一物的背景空间，这种观点依然是多数人对真空的印象。可是从现代科学的角度看，真空并没有那么简单，它有丰富的物理内容，也同样具有可观测的物理效应。如今我们对真空的理解程度还是一知半解，关于真空的现代科学的计算，有时候会给出精确的与实验相符的结论，有时又会产生严重的谬误。这些结果不禁让人们猜测，我们现在对真空的理解是部分正确的，既抓住了真空的某些特征，又遗漏或误解了一些其它东西。

爱因斯坦在广义相对论提出之后认为，真空是引力场的一种特殊状态。当不存在物质的时候，我们就可以把这种状态看作真空，当存在物质时，在物质之外的时空区域内会产生时空本身的弯曲现象，即物质分布与运动会改变真空的性质。从球对称的史瓦西黑洞解出发，令黑洞的质量为零，可以得到狭义相对论中的闵可夫斯基时空。如果从引入宇宙学原理的弗里德曼解出发，认为物质密度为零，则宇宙是具有负曲率的双曲空间。如果考虑宇宙学常数，没有物质存在的时空是封闭的德西特时空或者开放的反德西特时空，分别对应正的与负的宇宙学常数。由此可见，相对论中的真空远比想象中的复杂，真空更像是一种几何场，在每一个点上都拥有曲率。

广义相对论与热力学还有某种深层次的联系，黑洞可以发出热辐射，被称为霍金辐射；而具有加速度的观察者也可以观测到温度与加速度成正比的热辐射，称为安鲁效应。这两种效应不仅涉及到相对论的弯曲时空概念，还涉及到量子场论的内容。从量子的角度看，真空会有更丰富的内容，狄拉克首先赋予真空电子海的概念，而后来的物理学家们则将真空看作各种量子场的基态。当把两个相互平行的金属板靠近时，由于金属板构成了一种边界条件，板间的真空中某些模式的波不能存在，使板间与外部的真空产生一个有限的差别，这个差别会导致两板之间存在吸引力，这就是卡西米尔效应，已被实验证实，因此，真空是一种具有物理属性的真实的研究对象，而不仅仅是一种时空背景或数学工具。

狄拉克方程使人们对电磁场中的电子运动有了更深刻的了解，通过求解氢原子的狄拉克方程，可以得到非常精确的氢原子光谱，从而可以与实验值进行比较和验证。但是狄拉克方程中有一个令人不太满意的地方，电子可以用四分量的狄拉克波函数描述，而在电子哈密顿量中引入的势能，则是一种经典的势能概念，或者说，与电子相互作用的电磁场（比如库仑场）是一种经典场。这样，狄拉克方程的确是一种半经典半量子的数学模型，其量子化程度并不彻底，因此计算出来的光谱数据很有可能与实验存在微小的差别。很快，这个差别真的被发现了，那就是氢原子的兰姆移位与电子的反常磁矩，这些发现与狄拉克方程的预言不一致。将电磁场进一步量子化之后，经典的电场强度、磁感应强度等都成为算符。根据不确定原理，在极小的空间尺度与极短的时间间隔内，会有很剧烈的涨落。在真空状态下，电场强度、磁感应强度等可观测量的平均值是零，但是它们的方差不是零，这一特征会导致真空的一些可观测效应。例如，在有涨落的真空中，会不断产生和湮灭虚电子-正电子对，如果外加电磁场，虚电子-正电子对由于受电磁力的方向相反，会被拉开一定的距离，产生一个偶极距，这个偶极距会对电磁场有反作用，产生一种屏蔽效应，使实际上场的影响比预期的小，这被称为真空极化。考虑了真空极化效应的量子电动力学计算，完美的解释了兰姆移位和电子反常磁矩，从而证明真空涨落与真空极化是真实存在的物理现象。

南部第一次发现，量子场论中的真空态与固体物理理论中的基态有相似之处。由于不同晶型结构的固体其对称性不同，当外界条件发生变化时，可能会从一种相态转换为另一种相态，也就是会发生相变。当一种晶体结构从对称性较高的状态相变为对称性较低状态时，也就导致了对称性的破缺，一些不可观测、不可区分的物理量变得可以观测和分辨了。这样，理论仍然保持较高的对称性，可真实的处在基态的物理体系则没有这么高的对称性。这些概念可以借鉴到量子场论中，并产生了希格斯机制、电弱统一理论等丰硕的成果。如果将其引入到真空概念之中，则可以得到真空相变的概念。在不同的情况下，真空可以具有不同的相态，当达到某些条件时，真空也会从一种相态转换为另一种相态，导致真空对称性的破缺。在大爆炸初期的瞬间，四种相互作用融为一体，是一种统一的场，此时的真空具有很高的对称性。随着宇宙的膨胀和温度降低，真空对称性不断破缺，其相态也在不断改变，经历几次真空相变后，统一的相互作用分解为如今的四种，真空也成为如今的样子。真空相变过程产生的某些物理量突变，以及真空对称性破缺的机制是一个有意思的值得深入思考的领域。

现代天文观测表明，宇宙中存在一种能使宇宙加速膨胀的力量，被称为暗能量，它可以对应在爱因斯坦场方程中引入一个很小但不为零的正的宇宙学常数。暗能量的一个可能解释就是真空的零点能，可是通过计算得到的真空零点能足足比宇宙学常数要求的零点能高了120个数量级，成为迄今为止科学界做出的最差劲的预测。这个惊人的差别暗示人们，真空一定还隐藏着一些未被人们认识到的新物理，当我们对真空有了更深层的完整而正确的理解时，或许就可以计算出真实的宇宙学常数，解开暗能量之谜。