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什么是真空
到17世纪，法国科学家勒纳·笛卡儿（1596～1650年）为了解释行星绕日运动，首先提出了具有现代内涵的以太说，认为空间充满了以太，能传递力的作用，整个太阳系则处于以太阳为中心的以太漩涡中，行星便在漩涡中绕太阳运行。这种以太假说虽然排斥了绝对真空的存在，但是由于它与行星运动规律相矛盾，很快就被否定。 在英国物理学家罗伯特·胡克（1635～1703年）于1665年首先倡导光的波动说后，荷兰科学家克里斯琴·惠更斯（1629～1695年）加以发展，并提出荷载光波的媒介物质——“以太”充斥全部空间，宇宙中不论何时、何地、何物之内，都充满以太，以太是光波的传播媒介。牛顿虽然不同意光的波动学说，但是他也承认以太的存在。 18世纪，以太学说与光的波动学说一起被人们放弃。 19世纪，以大学说又与光的波动学说一起复兴和发展起来。到该世纪末，以太论进入鼎盛时期，它充斥于物理学的各种著作之中。却不料，当初以太论的积极拥护者，美国物理学家艾伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊（1852～1931年）和爱德华·威廉斯·莫雷（1838～1923年）的实验，竟然没有观测到地球相对于以太的运动，从而导致否定了以太的存在。
以太论的两次兴衰，其中都包涵着对于真空的探索。由此我们可以体会到对真空概念追求的进程是曲折而迂回的。20世纪初，伟大的物理学家爱因斯坦，在否定以太与地球存在相对运动的基础上建立了狭义相对论，提出了光（电磁场）本身就是一种物质，强调了时空与物质运动密不可分。然而遗憾的是，在狭义相对论中却保留了真空是没有任何物质的“空的空间”的理想概念。当然，爱因斯坦不愧为伟大的物理学家，在狭义相对论之后，首先对“真空即空的空间”这一传统观念提出疑问的，还是爱因斯坦。在他创立的广义相对论中，提出了“真空不过是引力场的一种特殊状态”的想法，指出物体的质量决定了时空的弯曲属性。
现代科学认为“真空是量子场的基态”
20世纪30年代，英国物理学家狄拉克把狭义相对论和量子力学相结合，建立了相对论量子力学的狄拉克方程，但在该方程中出现了负能量的解——负能态。因为负能态比通常的正能态能量更低，根据量子跃迁理论，则一切正能态的粒子和物质都将无休止地向负能态“跃迁”，最终将导致“宏观物质全部解体”的结论。为了摆脱这种与事实不符的困境，狄拉克提出了“电子海”假说，认为所有的负能态都已被电子全部填满，这就阻止了正能态电子自动地向负能态跃迁。根据这一假设，所谓“真空”并不空，虽然正能态都是空的，但实际上负能态却都是被无数的负能电子所填满的大海。客观世界发生的一切物理现象都是以这个负能电子海为背景，而这个负能电子所填满的大海并不产生任何可观察到的效果。只有当负能电子吸收了足够的能量跃迁到正能态而成为一个普通电子时，在大海中才会留下一个可观测的空穴。这个空穴表示少了一个负电荷、负能量的粒子，也就是多了一个正电荷、正能量的粒子——正电子。到了1932年正电子果然被安德逊在宇宙射线中发现了。这是人类对真空认识的第一次飞跃。 狄拉克在建立相对论量子力学时，只是考虑了微观物质的一个特点——微观高速。但大量实验结果表明：当粒子在高能情况下相互作用时，能量的转移可以很大，以致于发生粒子的产生和消失，从而使系统的粒子数不再守恒。由此，在狄拉克理论基础上，到本世纪40年代，逐渐建立起了一种新的物理学理论，称为“量子场论”。根据这种理论，空间则充斥着一种叫“量子场”的物质，空间中有某种粒子的地方，那里的量子场就处于激发态；而不存在粒子的地方，量子场则处于基态。这样，真空就被看成是没有任何激发状态的物质，即真空是量子场系统的基态。这是人类对真空认识的又一次飞跃。量子场论对真空的解释，也得到了实验上的证实，这其中最典型的是氢原子能级的兰姆位移和电子的反常磁矩。这些实验同用量子场论理论计算得到的结果极相符，精确到小数点后十位数，这个结果已成为当前物理学中的佳话。因此，“真空是量子场的基态”这种对于真空的新认识，已成为现代物理学的一个基本观念。 虽然量子场论对真空的理解，已成为现代物理学的基本观念之一，但这并不意味着我们对真空的认识已达到炉火纯青的境界；恰恰相反，可以说这只是一个新的起步。关于真空，还有很多奥秘要探索，关键集中在真空的物质性上，因为既然真空中存在着物质，就必然有物质的运动及相互作用，因此也就必然有很多新问题需要研究。 真空自身也还有不同类型的状态，这些状态在物理上叫做“真空相”。这就跟水在不同温度下可以处于冰（固相）、水（液相）、汽（汽相）几种不同的物相类似。在一定温度下，水的几种相可以相互转变；与此类似，在一定的条件下，不同的真空相也理所当然的会彼此转变。在一定的条件下，不同的真空相还可以共存，于是真空就有了复杂的结构。真空相变，当然要影响到粒子的某些性质，从而引起各种新的现象和效应。近些年来物理学家对真空相变特别关注，这是因为通过对真空的这些性质的探讨，有可能帮助解开强子结构的一个难题——“夸克禁闭”问题。虽然目前还远非定论，但是有关真空相变的假说，也许反映了客观的真实。 经过不懈的探索和努力，人们对真空的认识越来越逼近了客观和真实。基于量子场论的“真空是量子场系统的基态 ”的观念，已为现代物理实验所证实。然而，真空毕竟是一个十分复杂又内容丰富的概念，其深刻的奥秘与现代物理学关于“物质的基本结构与组成”的重大课题密切相关，特别是“真空的相变”、“真空的物质性”等课题还有待于人们于作进一步的研究和开发。
原作：甄长荫
http://www.wlsyw.com 整理：占礼葵
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