深度长文：真空的本质到底是什么？（超5000字，建议收藏！）

真空，字面意思理解就是“什么都没有”，但是果真存在这样的真空吗？真空里确实没有空气，这个大家都知道，但真空是不是真的“什么都没有呢”？如果存在某些东西，到底是什么呢？

现代科学研究结果表明，真空不但不是“什么都没有”，甚至恰恰相反，真空里暗藏的东西超乎我们想象，甚至比我们看得见的物质世界更加活跃！

让我们先从17世纪的一个实验说起。

1643年，科学家托里拆利做了一个这样的实验，实验过程很简单。把装满水银的玻璃管倒扣装满水银的盆子里，玻璃管长1米。结果他发现玻璃管中的水银柱会下降到76厘米的高度。上面24厘米的玻璃管内被认为就是真空，这也是人类历史上有记载的首次创造出来的真空。

那24厘米高的真空确实不会有空气，但除了空气之外，其他什么都没有了吗？真的是绝对的真空吗？

随着物理学的不断发展，人们对真空有了更深的认知。1800年，托马斯杨做了一个著名的实验，双缝干涉实验，结果表明光是一种波，而不是粒子。

而在当时人们对波的认知早就根深蒂固：任何波的传播都需要一定的介质，比如说水波的传播介质就是水，而声波的传播介质是空气。于是，人当时的人们坚定认为光在真空中传播，一定也需要某种介质。科学家把这种介质定义为“以太”。

以太只是假设的概念，当时的人们假设以太保持绝对静止，而且在宇宙中无处不在。在这种情况下，当我们以不同的速度相对以太运动时，测量到的光速肯定是不一样的。实际上这就是相对性原理，也就是伽利略变换，简单来讲就是平时我们经常用的速度叠加，伽利略变换是经典力学的根基，牛顿经典力学就是以相对性原理为基础建立起来的，而伽利略变换是很重要的一个环节。

相对性原理，或者说伽利略变换非常符合人们的日常生活经验，举个简单的例子，你乘坐一列火车，火车速度是V1，你在火车上朝着火车行驶的方向奔跑，速度为V2，我静止在地面上。那么在我眼里，你的速度就是火车速度加上你奔跑的速度，也就是V1+V2。

这表明任何速度都是相对的，都需要有参照系才有意义。

但是麦克斯韦方程组的横空出世，彻底颠覆了人们的传统认知，该方程组推导出来的光速计算公式中，根本没有任何参照系，光速是一个常数，只与真空的磁导率和介电常数有关。说白了，光速是绝对的，在任何参照系下都保持不变。

显然，光速的这个特性与相对性原理和伽利略变换相悖，也与人们的日常生活认知相悖。当时的物理学界大佬都试图调和麦克斯韦方程组与牛顿经典力学之间的矛盾，认为光的参照系就是绝对静止的以太。

但物理学界大佬们知道，以太只是一个假设的概念，必须证明以太确实存在，否则就没有意义，这就是所谓的“大胆假设，小心求证”。

于是，物理学界大佬开始通过各种实验试图证明以太的存在，但是不证明不要紧，在试图证明的过程中，越来越多的实验都表明以太根本不存在，比如说著名的迈克尔逊莫雷实验。

而如果以太真的不存在，只会带来一个结果：牛顿经典力学是错的，起码是不严谨的，具有局限性的。

而当时的物理学界早就视牛顿力学为神明，很难对牛顿力学有丝毫怀疑。后来还是神一般的爱因斯坦站了出来，秉承着“如无必要勿增实体”的原理，用奥卡姆剃刀把“以太”直接“咔嚓”掉了，在光速不变原理的基础上，相对论也应用而生。当然，爱因斯坦提出相对论的具体过程绝非如此简单，大家明白就行了。

当然，这个话题其实与真空没有太大关系，只是表明了科学家假设的以太并不存在。既然以太不存在，问题就来了：真空中没有以太，还会有什么呢？

接下来该量子力学登场了。

先来说说原子谱线的概念。早在十九世纪，科学家们就发现了一个现象：给气体施加高电压，就可以发光。这是因为气体原子在高电压的作用下获得了能量，然后又会通过发光的方式把能量释放出来，其实这也是霓虹灯的工作原理。

不同的原子发出的光的颜色也不尽相同，而特定频率的光就构成了原子的发射光谱。在所有的原子当中，氢原子是最简单的，因为它仅仅包含一个质子和电子，因为氢原子的光谱被研究得最多。

科学家巴尔末在1885年终结出来一个公式，可以计算出氢原子在可见光内谱线的频率，不过当时的科学家们并不知道公式的真正物理含义，只知道那是一个数学公式。

终于，在1913年物理学家玻尔提出了关于氢原子的玻尔模型，首次解释了公式的物理含义。不过玻尔模型严格来讲只是一个半经典理论，而且只适用于氢原子，当遇到更重的原子时，就显得无能为力了。

而之后薛定谔提出了著名的薛定谔方程，这个方程完全突破了经典理论，完全用量子力学思想诠释了氢原子的光谱。具体是如何诠释的呢？

简单来讲，氢原子外围的电子受到库仑力作用，被束缚在质子附近，这时的电子处于一种“束缚态”，被牢牢地束缚着。而这些束缚态是具有能量的，也就是能级。而通过求解薛定谔方程，就可以计算出能级对应的能量。而刚才所说的巴尔末公式中可见光区的谱线频率，对应的就是高能级电子跃迁到第二能级时释放出的光的频率。

毫无疑问，薛定谔方程对氢原子谱线的诠释是很成功的，背后其实也意味着量子力学的成功。但在成功的背后，科学家们通过之后的实验发现了薛定谔方程仍旧无法诠释的问题，也就是说，薛定谔方程的诠释并不是完美的，仍旧存在瑕疵，具体是什么瑕疵呢？

简单来讲，薛定谔方程诠释的玻尔模型，并不能诠释氢原子能级里面更深入的精细结构。当科学家们用更加精密的仪器观察之前的谱线时，发现每条谱线其实都是由更小的谱线组成的。

按照薛定谔方程的诠释，无论电子处于什么能级，如果没有任何外部环境的干扰，就会一直保持在该能级不变，当然也不会自发地跃迁到更高或者更低的能级。

不过，在实验当中，科学家们发现了一个诡异现象，高能级的电子，即便是在真空中，仍旧会有一定的几率发生跃迁，到达更低的能级，这个过程是自发进行的，没有任何外部干扰，这种现象也被称为“自发辐射”或者“自发跃迁”。

显然，真空中一定存在某种东西在干扰高能级的电子，那么到底是什么东西呢？真空中难道真的存在某种东西？

首先我们来简单捋一下电子跃迁的过程。电子通常有两种状态：基态和激发态。通俗来讲，基态是更稳定的状态，也就是能量更低的状态，低能级。而激发态是能量更高的状态，也就是高能级。

当电子从激发态跃迁到基态时，会发光，也就是说会释放出光子。既然这样，是不是就意味着，处于激发态的电子所在的原子里本来就有一个光子呢？

如果没有光子，电子跃迁到基态时发出的光子又是从哪里来的呢？

是时候到狄拉克登场了，著名物理学家狄拉克表示：真空就是电子海！

在薛定谔方程的基础上，狄拉克在1928年提出了薛定谔方程的相对论版本，用来描述电子的运动，正是考虑到了相对论效应，狄拉克最终成功解释了原子光谱里的精细结构。

而该方程就是很多人都听说过的狄拉克方程，这个方程足够伟大，因为它还预言了正电子的存在，同时更暗示了真空不但不空，甚至恰恰相反，真空中有着异常丰富的各种物理现象，远远超乎我们对真空的传统理解。5年之后的1933年，薛定谔和狄拉克两人因为各自提出的方程获得了诺贝尔物理学奖，也是对他们两人的褒奖。

那么，该如何理解狄拉克方程呢？繁琐的物理解释就不多说了，通俗理解是这样的。求解狄拉克方程，得出的解总是会成对出现。也就是说，任何一个能量的量子态，一定会有另一个相反的量子态与之对应。举个例子，如果能量为E，那么一定存在能量为负E的量子态。

更不可思议的是，纯理论分析，即便是单个电子，也能释放出无穷多能量，这在我们看来是不可能的，非常荒谬，因为现实世界里科学家从来没有观察到单个电子能释放出无穷多能量，而且“无穷”这个概念只存在数学概念里，物理学上并不存在，也没有具体的意义。

如何解释这种矛盾呢？

不得不说狄拉克真的是天才，他给出了自己的诠释：电子遵循泡利不相容原理，通俗来讲就是，两个电子不能位居同一个量子态。其实并不只是电子，其他微观粒子也有这种特性。

这也就意味着，如果电子占据了所有的负能态，处于正能态的电子就不能进入负能态了。进一步来讲，真空远不是什么都没有，而是到处充满了负能态电子的“汪洋大海”！

正电子照片

狄拉克理论无疑是伟大的，它准确预言了正电子的存在，具体可以这样通俗理解。不知道什么原因，某个能量为负E的电子随机离开了负能电子海，就会留下一个空位。接下来能量为E的正能态电子就会填补上去，然后释放出2E的能量，以保证整个系统仍然处于真空的状态。

而留下来的空位其实就是正电子，也是电子的反粒子，因为我们平常所说的电子都是带负电的。物理学家安德森在1932年终于发现了狄拉克理论预言的正电子，也因此获得了诺贝尔物理学奖！

不过狄拉克理论还有一个问题没有解决：既然真空中充满了很多电子，为何科学家从来没有发现带负电荷的电子形成的库仑力呢？还有，如此的电子，意味着真空的能量并不是零，而应该是无穷大才对，但科学家从来没有测量到真空的能量为无穷大。

科学家们为此苦恼了20多年，一直没有任何新的进展，直到一种全新的理论出现，它就是量子力学的加强版，量子电动力学。

该理论表明，真空其实一点也不空，而是充满了随机的量子涨落。新的量子理论完成了对量子力学，狭义相对论和电动力学的统一，同时也成功诠释了原子辐射的问题，更是揭示了真空中隐藏的奥秘。

根据量子电动力学的诠释，电磁波并不是经典的，而是量子化的，这让电磁场具有很多让我们看起了非常诡异的特性，最典型的就是海森堡测不准原理，或者说不确定性原理。

该原理表明，任何微观粒子的都不能同时具有确定的位置和速度，位置和速度的不确定性的乘积必须不小于一个常数，这个常数很小，但总是大于零的。这就是不确定性原理。

不确定性原理意味着，无论在什么情况下，粒子的总能量都不会为零，而这种能量其实就是零点能。而在量子化的电磁场里，拥有无数个处于不确定性的微观粒子，所以量子场的零点能其实是无穷大的。

零点能的概念可以很好地诠释电子的自发辐射。虽然理论上真空中并没有光子，但由于零点能的存在，真空中一定会存在电磁场，这其实就是量子涨落。

量子涨落会与高能级的原子发生作用，受到扰动的原子就会随机释放出光子，然后电子就会跃迁到基态。这也说明了一点，电子并不是真的自发释放出光子，而是受到了量子涨落的扰动才释放出来的。

随着研究的不断深入，也催生了量子场论的诞生。量子场论认为，所有的物质本质上都是场，就像电磁场那样的场，在四维时空中不停地振动。在这种背景下，单个的电子并不再是粒子，而是电子对应的场，也就是电子场。

说白了，所谓的电子，并不是“子”，其实只是由于电子场振动产生的“能量包”而已，也既是“波包”。这也能解释电子为何总是一模一样的，因为电子其实就是电子场的振动产生的能量包。

不仅仅是电子，任何微观粒子都是如此，不仅仅有电子场，还有电磁场，中子场，希格斯场等，这些场的振动都会形成不同的基本粒子。

量子场论也能解释宇宙的起源。宇宙并不是诞生于“无中生有”，而是诞生于“一片混沌”，这种混沌状态就是各种场的交织状态。而根据量子力学的不确定性，任何形式的场总是会受到扰动，受到扰动的场就会形成不同的能量包，也就是基本粒子。世界就是这么诞生的！

看到这里，或许很多人会不服气，真空本应该是什么都没有，如果有什么东西，就不能定义为真空。那么，充满量子涨落的所谓“真空”状态就不应该叫做“真空”。

不过，任何问题都应该是事实为标准，而不是凭空想象，更不是主观臆断就下结论。可以用一种通俗的方式来解释，假设存在一个绝对密封的盒子，我们通过各种方式把盒子里面的物质全部抽出来，不管用什么方式，总之能把所有物质都抽出来，包括所有的微观粒子，各种辐射，中微子等。最终盒子里的状态就是真空。

那么，这种真空状态就是“什么都没有了吗？”

按照我们传统的思维方式，确实是“什么都没有”。所有的物质都全部移除了，就不可能有任何东西了。但不要忘了，量子力学以及后来的量子场论就是这么奇特，我们不能用传统的思维去衡量量子力学支配下的真空状态。

在量子力学不确定性支配下的真空状态下，所谓的真空其实拥有最基本的能量，也就是处于基态的能量，也就是真空零点零，这些能量是我们永远移除不掉的。

也就是说，真空不但不空，甚至不现实世界更活跃，因为真空中充满了量子涨落，而量子涨落本质上就是能量，真空零点能。具体来讲，虚粒子对可以向“真空”赊借能量，随机衍生出来，然后瞬间湮灭，把能量归还给真空，只要整个过程持续的时间足够短，大自然一点也不在乎，也不反对。

这种现象其实也是不确定性的一种表现形式：在足够短的瞬间，任何事情都可能发生，而且在足够长的时间里，一定会发生！

但是，空口无凭，量子涨落真的存在吗？科学是严谨的，证据很重要，这就需要实验来证明。

其实科学家们早就找到了量子涨落现象存在的证据，那就是著名的卡西米尔效应，相信很多人都听说过。两张非常薄的金属片，在真空中不断靠近，靠近到一定程度，量子涨落的力量就会推动金属片靠近，就好像两者产生了引力一样。

为什么会这样？因为随着两张金属片不断靠近，金属片之间的量子涨落会被挤压出一部分，结果就会表现出金属片外侧的量子涨落强于内侧的量子涨落，于是就会对金属片产生推力。说白了，量子涨落的本质就是真空中场的扰动，场的扰动会形成波，而波是有波长的，当波的波长大于金属片之间的距离时，就会被挤压出去！

总结

到这里，关于真空的分享就告一段落了，洋洋洒洒几千字，其实远没有触及真空的本质。本人并非科学家，只是科学爱好者，尽自己最大所能向大家分享有关真空的知识。

科学家们坚信，关于真空，一定存在更多更具颠覆性的奥秘，甚至大胆预言，真空蕴藏着世界的本质，宇宙的起源等终极奥秘，所有的未解之谜几乎都可以在真空中找到答案！

最后用《道德经》中非常著名的一句话来总结：天下万物生于有，有生于无！