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量子场论中的量子真空概念

现代真空理论实质上是量子的，具体说来，真空的众多新奇物理性质，正是被量子场论逐步的研究所揭示.可见在当今，只有理解量子场论，才有可能深刻而正确地掌握真空概念的物理内涵.量子场论是研究量子场的结构、运动及相互作用规律及其时空特征的物理理论.当今量子场论有阿贝尔的和非阿贝尔两种形式.在量子场论中，研究电磁作用的量子理论，是量子电动力学，属于阿贝尔量子规范场论；研究强作用的量子理论是量子色动力学，研究弱作用和电磁作用统一的量子理论是量子味动力学，两者都属于非阿贝尔量子规范场论.

1.量子电动力学真空

1.1光子真空

不少物理学家认为，量子理论中的真空概念，最早起源于P.狄拉克（Dirac，1902——1984）对电子相对论波方程的负能态研究，然而事实并非如此.量子真空的思想源于狄拉克对辐射电磁场量子化的探讨，所以最早的量子真空并非电子真空，而是光子真空.

1927年狄拉克发表了题为《辐射的发射和吸收的量子理论》论文，标志着量子电动力学的诞生.在这篇文章中，狄拉克用两种不同的方法，研究了原子和电磁辐射场的相互作用问题，可称为微扰方法和波动方法.在微扰方法处理中，光量子被视为一种粒子集合，在这个粒子集合中没有相互作用，粒子以光速运动，并且满足爱因斯坦波色统计.狄拉克在证明哈密顿量能导致辐射和吸收所遵循的爱因斯坦定律时，首次提出和应用了真空思想.

狄拉克假定对于光量子，存在一种零态.在这种态中有无数个光子，但它们都是不可观测到的.这些光子可以从这些零态跃迁到生成可观测到的实光子，即零态的激发；而实光子也可跃迁回到这种零态，成为不可观测到的虚光子，即激发态的消失.这种实光子的产生和湮没图像是狄拉克第一次提出来的.可以看到这正是现今量子电动力学中真空态的概念和光子真空的思想，而电子真空的概念则是在他的这种思想的基础上提出来的.

1.2电子真空

1928年狄拉克在电子量子理论方面发表了两篇文章.在这两篇论文中，狄拉克讨论了克莱因.高登（Klein-Gordon）方程解的困难，并提出了著名的电子相对论波方程.利用这个方程来研究氢原子能级分布时，给出氢原子的能级结构，并和当时的实验很好符合.从这个方程还可以自然地导出电自旋为1/2，并且电子自旋的回磁比为轨道角动量回磁比的2倍，使得人们相信，这是一个正确描述电子运动的相对性量子力学波方程.

在1929到1930年期间，狄拉克认识到没有合理的方法，能够避免电子从正能态向负能态的跃迁，才迫使他提出了负能态全部被填满的电子真空图象.这种真空像狄拉克本人想像的那样，是处于最低能态的一部分空间.当我们把所有负能态都填满时，就得到了系统的能量最低态.

狄拉克真空的深远意义，不仅第一次从理论上预言了正电子的存在，更重要的在于第一次提出了真空的一种量子模型，一种没有实粒子存在的空间，这是量子场论思想的萌芽；并且提出了实粒子产生的机制，预示了虚粒子的存在及粒子和场的，为后来量子电动力学的发展迈出了重要的一步.在这里我们值得强调的一点是，由于狭义相对论和量子力学的初步结合，就得出了在狭义相对论中原有的空空间即一无所有的空间概念是不存在的，因在其中充满了虚电子，即负能量的电子.充满虚电子的空间，称为电子真空.可见狭义相对论和量子力学的结合，不仅革新了狭义相对论的空间概念，而且使原来真空概念的经典性质，跃进到量子真空概念的初级阶段.

1.3真空涨落和真空极化

最早提出量子真空概念是狄拉克，而对真空概念和真空实际效应研究的也是狄拉克.他对这个问题的探索始于1933年.这一年10月，布鲁塞尔（Brussel）召开的第七次索尔维（Solvog）会议上，狄拉克宣读了一篇论文.这篇论文开头写道：最近正电子的发现，又重新复活了旧的负动能的理论，因为到目前为止，实验的发现完全和理论相符.狄拉克建议，人们应当去发现负能态的物理意义.

1934年，狄拉克对真空极化和真空涨落的问题作了详细讨论.接着W.海森堡（Heisenberg，1901----1976）和V.魏斯科夫（Weisskopf）对量子电动力学的真空也作了研究.结果表明，真空已不再是一个纯粹的空间，真空荷流密度和场强的涨落，即虚光子的产生和湮没，赋予了真空复杂的结构和性质.他们的研究表明，外电磁场将要感应出荷流涨落，而这些涨落又反过来改变原来的外电磁场，结果使得量子电动力学真空具有极化介质的性质.

　　2.量子味动力学真空

真空对称自发破缺思想，是人们在超导研究的启发下得到的.1961年P.南部（Nambu）和G.约纳－莱森奥（Jona-Lasinio）一起发表了《基于和超导相类似的基本粒子的动力学模型》的文章，此项工作把真空对称自发破缺概念引进量子场论，即一个场论的拉氏函数具有某种对称性，而体系的基态却是破缺的.同年J.哥德斯通（Goldstone）类比超导理论提出了一个定理：如果体系的拉氏函数在某种连续变换下具有不变性，而这种对称性是自发破缺的，那么此时将伴随存在零质量、零自旋的粒子，即哥德斯通玻色子.这个定理称为哥德斯通定理.

然而哥德斯通玻色子是很不理想的，和事实不相一致.最早发现漏洞的是J.许蕴格（Schwinger），他指出定域对称性破缺和整体对称性破缺是不同的.1963年P.安德孙（Anderson）发表论文，采纳了许蕴格文章的主要线索；他讨论了哥德斯通定理问题，提出超导是对称性破缺的例子，然而却不出现零质量粒子.他还建议如果电磁理论可以避开哥德斯通定理，那么其他定域对称规范理论也一定可以如此；他认为在规范不变理论中，杨－米尔斯（Mills）玻色子和哥德斯通玻色子相互缠结起来，最终将产生静止质量.

最引人注意的是C.希格斯（Higgs）在1964年发表的论文，在文中引进了一个基本标量场，人们后来称为希格斯场，来代替超导理论中的库柏（Cooper）对.为了使希格斯场起到和库柏对同样的作用，假定希格斯场势能取一个特殊的函数形式，在规范理论中它被解释为希格斯场的自作用.这种势使得希格斯场和库柏对流的固有场那样破坏规范不变性，即希格斯场的真空态对称性自发破缺，也就是说希格斯场出现了简并的真空态.

3.量子色动力学真空

我们对量子色动力真空的两个特性，即真空隧通效应和真空相变进行讨论.

3.1真空隧通效应

非阿贝尔（Abel）规范场真空结构的研究，是从对非阿贝尔场方程解进行拓朴分类探讨开始的.较早进行这方面研究的是A.普利雅可夫（Polyakov），他讨论了规范场的赝粒子解.1975年，他和A.拜尔文（Belavin）等人写了一篇题为《杨－米尔斯场的赝粒子解》的文章，进一步发现4维欧氏空间中杨－米尔斯方程的正规解，这种解使得有限作用积分定域极值化，并且讨论了解的拓扑性质.1976年G.特荷夫特（t'Hooft）也研究了同样问题，他把赝粒子称为瞬子.同年C.开伦（Callon）、R.代逊（Dashen）、D.格（Gross）发表论文《规范理论真空的结构》，研究了非阿贝尔规范场的真空结构和性质，发现规范场的拓扑上不同的真空组态间的隧通效应.哈密顿量的对角化，可以导致连续真空态的出现，并分析了真空的结构和性质.他们认为，这些解的物理诠释是含糊不清的，因为它们在时空中是定域化的.在欧几里得规范孤子描述的事件中，拓扑不同的规范真空内有隧通效应，并且这种过程大大改变了真空态的性质.他们还得出，规范场的真空是theta;真空，其状态是各种绕数n的真空态的线性迭加，各种绕数n的真空态之间的隧通效应是通过规范场的瞬子解而实现的.瞬子解的发现，说明了非阿贝尔规范场具有复杂的真空结构.

3.2真空相变

在1976年开伦等人的论文后部分中，他们讨论了把真空看成是瞬子集合，作为规范场真空的一种方便的几何图像.1978年他们又发表论文题为《走向强作用的理论》，把真空看作顺磁介质来处理.1979年开伦对这种思想又进行详尽的研究，肯定了真空相变的存在.

显然可见，量子色动力学的发展，大大促进了人们对真空性质的认识.量子色动力学真空所发现的真空隧通效应、真空相变、真空畴结构等新奇性质，都说明真空类似于介质.这些研究结果揭示出真空是物质的一种特殊形态，它具有各种各样新颖的物理特性.

从上面的材料可以看出量子力学中的真空并非一无所有，它们和光子之间根据现代物理学理论应当有相互作用，可是狭义相对论认为在真空中的光速是不变的，显然存在着矛盾.