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现代物理学对于真空的认识

《自然杂志》１９卷４期的‘探索物理学难题的科学意义'的９７个悬而未决的难题：６．宇宙中不断有物质创生吗？２９．为什么宇宙中反物质如此少？３０．反物质世界存在吗？３１．反物质能源能否实现？８４．真空的本质是什么？

道生一，一生二，二生三，三生万物.道者，无也.——老子《道德经》.西方哲学是把所有的客观存在统称为“物质”，这种自然观被叫做“物质一元论”；20世纪物理学的诸多成果都在证明，未来科学必须用物质～空间系统论的自然观取代实体物质一元论.物理学抛弃ether，electromagneticfield可以在真空中传播，真空的本质是什么，为什么在真空中可以激发出各种粒子？李政道(T.D.Lee)认为，真空和ether不同，它是Lorentz不变的，可它有很多复杂的性质.【1】

100年以前的一位物理学家就预言：真空中充满了能量，取之不尽，用之不竭.在几十年前的彼得堡学术会议上，关于真空问题的讨论，使门捷列夫，开尔文爵士，特斯拉等科学家被错误的冠以伪科学家的头衔.特斯拉对光波深有研究，他研究光波的标量部分，并且成功地实现了无线的电流传送.李政道博士也认为：真空就是介质的凝固态.一些科学家认为，真空是一种能量海，取之不尽，用之不竭.NASA在1998年把真空能的研究列入NASA的研究计划.美国能源部在当时强烈的反对，认为不可能从什么都没有的真空里提取出能量来，并宣称不会给任何NASA的关于真空能的研究计划拨款.而两年后，美国能源部也把真空能纳入其研究计划中.真空并不是一无所有的虚无（这是经典物理的理解，相对论本质上也是经典物理），而是所有粒子的基态，也即没有粒子被激发的状态.而有粒子的状态是真空的一种激发态——要准确理解这些概念，需要先理解量子理论的基础与本质.

真空是所有粒子的基态，而在一般情况下，我们都希望这种基态本身是稳定的.比如我们经常遇到的势阱，它的最低能态（也就是基态）是稳定的，粒子都被局限在了这个势阱中，而激发态是不稳定的，比如粒子获得能量而离开势阱.

真空破缺，就是上述真空态本身不稳定，使得整个物理系统不再处于真空这个基态，而进入了某种激发态——这里你需要了解基态和激发态并不一定就表示激发态肯定比基态的能量要高.比如说，粒子的态分布满足一种中间微微隆起的势阱，基态位于中央，从而是微微隆起的部分，那么很自然，粒子有一种离开这个隆起的部分而进入更低能量要求的“激发态”的趋势，从而一旦这种趋势达成，真空就破缺了——不再是真空了，而是进入了有粒子的激发态.这就是真空自发破缺.

真空破缺自然不一定是自发破缺，在有外界能量刺激的情况下，真空也可以被动破缺，比如原子周围的轨道电子就可能被激发从而放出光子，现代激光原理就利用了这点.还比如重粒子周围单光子可以激发出电子-正电子对，也是如此.量子规范场论中的“跑动耦合常数”的概念建立在一系列理论事实上，即规范理论正确地描述了相互作用力，而量子场论存在发散问题，为了解决这个问题就必须使用重整化技巧，这与规范场论结合在一起，就发现重整化理论中的重整化群方程对应了这么一个现象，即如果我们用不同的能量去探测同一个对象的耦合常数（规范场论给出），会得到不同的结果.

在广义相对论中，物理真空的观念被彻底排除了.ether概念重新获得了一定的内容......广义相对论的ether是本身失去了任何力学和运动学性质的介质，但同时它能决定力学（或电磁学）过程.Dirac方程（pcα+mc²β）ψ=Eψ，对原子结构及分子结构都给予了新的层面和新的极标准的了解.Dirac关于真空中被无数electriccharge充满的理论可以推广至被无数正引力质量充满着，进一步理解负引力质量空穴——场.由此类比广义相对论中的ether依然是真空，因为时空与引力质量是对称的，能量是它们之间的相互作用，因此实物通常是定域在绝对空间的确定区域内，而场则弥漫于绝对空间中，electromagneticfield的传播也需要介质——绝对时空.物理学家保罗•戴维斯在他的《上帝与新物理学》中说：“运动的能量和质量的能量总是正的，但引力的能量，如某些场的引力是负的.有时会出现这样的情况，创造新生物质粒子质量的正能量正好被引力的负能量抵消了.”爱因斯坦说：“我们今后在这样的意义上把‘场’同‘物质’加以区别，除了场之外的任何东西都叫‘物质’，因此它不仅包括通常意义上的物质，而且也包括电磁场.”爱因斯坦在1917年的文章《广义相对论的宇宙学》里说的“这样构成的一个宇宙，就其场来说，该是没有中心的，所以用不着假定在空间无限远处密度应该减少，而只要假定平均势和平均密度一直到无限远处都是不变的就行了.”他1918年在《论引力波》里又说：“在我们的宇宙中，固然物质不是均匀分布的，而是集中于各个天体之中；固然物质不是静止的而是处于（比光速慢得多的）相对运动之中.可是，十分可能，在包含许许多多恒星的空间中得到的物质的平均（‘自然量度的’）空间密度，在宇宙中接近一个常数.”

李政道提出，在21世纪会出现四个重大的研究领域：目前在原来的物理学框架上，理论发展已经很困难，应该有一个大的突破.应该着眼于微观的基本粒子和宏观的真空态统一起来研究，这比20世纪初的理论革命会有更加大的突破.

参考文献:

【1】李政道——科学的发展：从古代中国到现在.朱长超主编.《世界著名科学家演讲精粹》百花洲文艺出版社1995年3月第1版第3次印刷.

附录：2012年6月6日，据美国物理学家组织网报道，瑞典物理学家称，他们运用特制的设备，在“什么都没有”的真空中，制造出了可见光（该研究论文已发表在物理学界著名的免费电子网站arXiv.org上）.并说：“如果该实验获得证实，将是近年来量子效应最奇异的实验证据之一”，同时也是一个“意义重大的里程碑”.

这种“量子理论”认为：真空实际上是一片不停波动的能量之海，粒子在其中和万物之间来回转化.这些粒子稍纵即逝，而被认为是“虚拟粒子”，它们拥有切实的“量子效应”.例如：几十年前，就有“理论学家”，据此，预言：一块快速移动的镜子也能产生同样的效应，即：一块镜子能从落在其表面上的“虚拟”光子那儿获得能量，接着，像真实的光子一样重新发出这些能量.不过，只有当运动的镜子以非常接近光速的速度通过真空时才会出现这种效应，但普通的机械装置很难做到这一点.

1948年，荷兰的亨里克·卡什米尔最初提出，如果两个镜子被极端接近地放置在一起，能够存在于其间的“虚拟”光粒子（光子）的数量是有限的.这意味着更多虚拟光子存在于镜子之外而非镜子之间，它们会创造出一种卡什米尔力，让这两面镜子紧紧依附在一起，经典物理不能解释，而认为是一个纯粹的量子效应.

瑞典查尔姆斯理工大学的物理学家佩尔·德尔辛和其同事使用一块名为超导量子干涉设备（SQUID）的装置，该设备对磁场相当敏感，用于测量极端微弱的（例如人体电磁场的微弱变化）信号，将SQUID放置于一个超导电路中，它会随着每秒几十亿次地改变的磁场方向，轻微的“摆动”，速度可达到光速的5%，此时还观察到，一大片光子（震动的微波），如天女散花般，“从真空中落下”.进一步分析后发现，正如量子效应所预测的那样，产生光子的脉冲频率几乎是其“摆动”频率的一半.

同样从事量子效应研究的美国哈佛大学物理学家费德里克·卡帕索表示，这是一个非常重要的进步.尽管该效应因其无法产生大量的光子而目前没有实际用途，但却能很好地演示量子效应.未来，一块运动的金属会从真空中制造出可探测的光线.