知識就是力量，歡迎回到2049.

真空，意思就是真的很空，按字面來理解，真空就是指不存在任何物質(zhì)的空間。那么如果從空間中清除掉所有的物質(zhì)從而獲得真空后，我們是不是就一定可以確認這個空間是完全空的呢？恐怕未必。

我們來想象這樣一個場景，一個裝著黃博士的冰箱，先把黃博士從冰箱中拿出來，此時冰箱里面的空間顯然還不是真空，因為里面有著大量的空氣。而如果用一個不知道高到哪里去的真空泵將冰箱中的空氣也全部去除的話，此時，冰箱內(nèi)部的空間中將沒有任何物質(zhì)存在，成為了真正意義上的真空。但其實這個真空也不全然空，冰箱中依然有著電磁波的存在，這是因為，冰箱壁一直在向外輻射著紅外線等電磁波，也就是所謂的“熱輻射”。宇宙空間也是類似的情形，雖然在宇宙空間中，每立方米只有1個氫原子，而其余絕大部分都是空蕩蕩的真空，但其實，這也并非完全是空的，因為來自星體等的光，還自由穿梭于宇宙真空之中。

那么如果我們下手更狠一些，把整個冰箱的溫度降低到絕對零度，此時，熱輻射消失，那么這個真空，是不是就真的什么都沒有了呢？現(xiàn)代物理學(xué)認為，事實也并非如此，那么究竟還有什么存在于真空之中呢？歡迎收看大型娛樂節(jié)目回到2049第三季第49集《真空不空：喧鬧的真空世界》。

也許你認為真空離我們十分遙遠，除了外太空與地球上的某些實驗室之外，我們幾乎不會接觸到真空環(huán)境。但其實，真空就在我們的身邊。比如說，空氣是由在空中飛來飛去的無數(shù)氮分子、氧分子等組成的，但分子與分子之間的空間，其實什么也沒有。當(dāng)然了你可以抬杠說還有PM2.5，但是不論是分子，還是小粒子，它們之間總會有間隔，而這個間隔就是真空。現(xiàn)在我們進一步把視力放大，放大到原子的級別，對于這個小球球來說，真空依然是它的主體。比如說有這樣一個故事，說的是一個閑的蛋疼的教授和他的一群腦殘學(xué)生，教授往杯子里放滿了石頭，問學(xué)生說滿了嗎？學(xué)生說滿了。教授又往里面填滿了沙子，又問學(xué)生滿了嗎？學(xué)生說這下滿了。于是教授又向杯子中灌滿了水，然后又問滿了嗎？此時，黃博士站起來說，早著呢，教授你圖樣，還有一大部分真空。然后黃博士被趕出了教室。那么黃博士錯了嗎？當(dāng)然沒有，我們就以組成水分子的氫原子為例，原子的直徑約為1000萬分之一毫米，中間是原子核，外面圍繞著電子。但是，這個原子核的直徑僅為原子的10萬分之一，另一方面，雖然我們現(xiàn)在還不能具體地知道電子有多大，但與原子核相比，電子的大小幾乎可以忽略不計。所以這樣考慮的話，從某種意義上說，原子的大部分是真空，水的大部分也是真空，而我們的人體以及身邊的所有物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的，所以我們或許也可以說，我們的身體及身邊的所有物質(zhì)，其實也幾乎是真空。可憐的黃博士就這樣成為了真理的殉道者。

了解完真空無處不在之后，我們就要來真正看一看真空中究竟有什么了。

我們知道，在通常情況下，物體不接觸就不會產(chǎn)生力的作用，比如說黃博士就不能像我一樣僅靠意念就把妹子推到，必須得施加強力才可以，這樣的力我們稱之為“接觸力”。但是，還有一些即便不接觸也能傳遞的力存在于宇宙中，這樣的力就是所謂的“非接觸力”。比如說磁力就是典型的代表，磁力在不存在任何物質(zhì)的真空中也能傳播。比如說，宇航員在非常接近真空的宇宙空間中，也可以用指南針來觀測地球的磁力。同磁力相似的還有靜電力，漂浮在宇宙空間中的宇航員，就會與飛船之間產(chǎn)生靜電，這種靜電是國際空間站和人造衛(wèi)星的大敵，因為它會導(dǎo)致航天器的精密儀器失靈。所以宇航員在出艙活動時，之所以要用繩索將自己與空間站綁在一起，這一方面固然是怕自己飄走了，另一方面也是為了防止身上帶上靜電。

像上面這兩種情形，真空中沒有物質(zhì)，但存在著能傳遞非接觸力的“某種非物質(zhì)的東西”，我們就將其稱為“場”。傳遞磁力的場被稱為磁場，傳遞靜電力的場就被稱為電場。由于兩者密切相關(guān)，所以統(tǒng)稱為電磁場。電磁場是空間本身的一種性質(zhì)，與物質(zhì)不同，用任何泵都無法清除掉，所以在空無一物的真空中也能存在。由于光或者說電磁波是一種由電場與磁場的振動而傳遞的波，所以電磁波在真空狀態(tài)中也可以傳播。關(guān)于電磁波與磁場的話題，各位老板們可以參考我們往期的節(jié)目，一是《物有所指》，二是《阿光正傳》，在喜馬拉雅和B站都可以找得到，那時候的我比現(xiàn)在更年輕，看著絕對是一種享受，今天我們就不廢話了。

從這個角度看，其實我們的宇宙真空是滿滿當(dāng)當(dāng)?shù)?，這其中不僅充滿了星體發(fā)出的光，而且還存在著宇宙誕生之初所發(fā)出的光。138億年前，宇宙的溫度極高，就像一個炙熱的火球，這一時期的宇宙被稱為“大爆炸宇宙”，當(dāng)時，整個宇宙中也曾光芒四射，而且直到今天，其光線還充滿了宇宙空間?，F(xiàn)在，宇宙依然在不斷膨脹，所以其波長也被不斷拉長，從而變成了微波，這便是所謂的“宇宙微波背景輻射”。研究表明，每立方厘米的宇宙空間中，大約有410個宇宙微波背景輻射的光子。所以說，在看上去空無一物的真空的宇宙空間中，到處都充滿了光。

宇宙微波背景輻射

那么如果我們用不知道高到哪里去的辦法，把宇宙空間中所有的物質(zhì)與光全部去除的話，我們是不是就可以創(chuàng)建一個完全意義上的一無所有的空間呢？接下來才是我們今天的重點內(nèi)容。

我們知道，光在真空中的傳播速度大約為每秒30萬千米，這是自然界中的最大速度，任何物質(zhì)的運動速度都無法超越光速。這個事實我們所有人都知道，那么為什么光以外的物質(zhì)就不能以光速運動呢？目前的理論認為，整個宇宙空間中充滿了某種東西，這種東西使得光以外的物質(zhì)的運動速度變慢了，唯有光不受其影響，那么這個東西是什么呢？科學(xué)家稱其為“希格斯場”。

希格斯場無所不在，不僅存在于你眼前的空間，就連原子中原子核與電子之間也充滿了希格斯場。研究認為，正是由于希格斯場的存在，使得電子與希格斯場相互作用，從而使其無法以光速前進。如果沒有希格斯場的話，那么原子中的電子就會以光速直線飛離，同時，質(zhì)子將轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶?，原子核也將破碎，如此一來，原子也就無法保持其形狀從而崩潰了。而世間萬物都是由原子構(gòu)成的，所以正是得益于希格斯場，才有了我們以及今天的世界。

可見，希格斯場賦予了不同粒子不同強度的“阻力”，粒子受到的阻力越強，就越不容易移動，而粒子移動的難以程度，其實正是質(zhì)量的本質(zhì)，所以正是希格斯場賦予了粒子以質(zhì)量。由于電子受到的阻力相對較弱，所以便于移動，也就是說，電子是質(zhì)量較小的基本粒子。而傳遞弱核力的W玻色子受到的阻力就比較強了，所以它很難移動，也就是說，W玻色子的質(zhì)量很大，目前的理論認為，W玻色子的質(zhì)量大約是電子的16萬倍。

希格斯場

不過，在宇宙誕生之初，情況并非如此。研究認為，在宇宙誕生之初，其體積極小、溫度極高，在這樣的環(huán)境中，希格斯場根本無法像現(xiàn)在這樣發(fā)揮作用，基本粒子也沒有受到來自希格斯場的阻力，所以所有的基本粒子都是以自然界的最大速度光速運動的，此時，原子是不可能存在的。

后來，宇宙不斷膨脹并開始變冷，從而導(dǎo)致希格斯場的狀態(tài)發(fā)生了急劇變化，這樣一來，幾乎所有的粒子都開始與希格斯場相互作用，開始變得難以運動了，于是，電子等基本粒子便“誕生”了質(zhì)量。之后，中子與質(zhì)子也誕生了質(zhì)量，不過這里面需要注意的是，中子與質(zhì)子質(zhì)量的98%并非是由于其與希格斯場的相互作用而獲得的，目前的理論認為，強相互作用力將組成質(zhì)子與中子的夸克連接在了一起，根據(jù)愛因斯坦能量與質(zhì)量可以相互轉(zhuǎn)化的理論，正是強力巨大的能量賦予了質(zhì)子與中子以質(zhì)量。

在宇宙誕生37萬年后，宇宙進一步冷卻，減速的電子與質(zhì)子之間產(chǎn)生了電吸引力，從而形成了氫原子?，F(xiàn)在我們溯本求源，可以說，正是因為希格斯場的狀態(tài)發(fā)生了變化，宇宙中才誕生了原子，于是也才有了后來的故事。

而在誕生之初的宇宙中希格斯場所發(fā)生的變化，這被稱為“相變”，所謂的相變，就是指物質(zhì)因環(huán)境而改變狀態(tài)的現(xiàn)象。至于強力為何可以在夸克間發(fā)生作用從而賦予中子與質(zhì)子以質(zhì)量，目前也認為源自某種相變，不過這種相變是不同于希格斯場相變的。那么希格斯場的相變與導(dǎo)致中子與質(zhì)子獲得質(zhì)量的相變是如何產(chǎn)生的，我估計我說了你也不懂，再說我也不會，所以就此略過。

希格斯場雖然與磁場、電場都叫場，但它們還是擁有著很大的不同，最明顯的一點就是，電場與磁場是既具有大小也具有方向，但希格斯場卻只有大小沒有方向，也就是說，希格斯場是一種“標(biāo)量場”，而且，希格斯場在宇宙各處的值都是相同的，所以無論是在地球上，還是在距離我們十分遙遠的星系中，電子所受到的來自希格斯場的阻力都完全相同，也就是說，電子的質(zhì)量在宇宙的任何地方都相同。對于其他基本粒子來說，情況也是一樣的。

可以想見的是，希格斯場作為一種理論，雖然可以很好地解釋基本粒子質(zhì)量的來源，但它還是過于虛無縹緲了，那么我們可以證實它的存在嗎？我們知道，原子中的電子振動時，電磁場也會振動，并發(fā)射出光子。那么處于希格斯場中的粒子振動時，是不是也會帶動希格斯場的振動并發(fā)射出某種未知的粒子呢？或許我們可以循著這一思路，找出希格斯場的蹤跡。為此，粒子物理學(xué)家將希望寄托在了歐洲大型強子對撞機之上，他們在真空的環(huán)形管內(nèi)，把質(zhì)子加速到接近光速，并使其在探測器中相互碰撞。此時，無比巨大的能量集中于一點，從而振動希格斯場，結(jié)果令人喜大普奔，物理學(xué)家轟擊出了由希格斯場所產(chǎn)生的希格斯玻色子，從而證實了希格斯場的存在。鑒于此，由于從理論上預(yù)言了希格斯場的存在，英國物理學(xué)家彼得-希格斯與比利時物理學(xué)家弗朗索瓦-恩格勒分享了2013年的諾貝爾物理學(xué)獎。

希格斯玻色子的產(chǎn)生

希格斯

恩格勒

可見，即便是排除了電磁場與電磁波，真空中依然存在著看不見摸不著的希格斯場，這是空間固有的一種性質(zhì)，只要空間還存在，希格斯場就存在。不過，我們不妨再開開腦洞，如果有一天，我們有能力把希格斯場也移除的話，真空是不是這下就“真空”了呢？恐怕，你的愿望還是難以達成。

因為在量子論中，真空是一種完全不同于我們常規(guī)認知的存在。量子場論是研究基本粒子等微觀世界基本規(guī)律的物理學(xué)，它認為，微觀世界是由“量子場的漲落”所支配的。傳統(tǒng)理論認為，如果真空是一個不存在任何物質(zhì)的空間，那么真空中的基本粒子的數(shù)量應(yīng)該為0。但量子場論認為，在微觀世界中，甚至連基本粒子的數(shù)量也在不斷地漲落，根本無法保持為0的狀態(tài)。量子場論認為，真實情況是，在微觀世界中，基本粒子在不斷生成與消失，其數(shù)量是在時刻變化著的。

也許你會認為，既然粒子在不斷地生成與消失，那么在某一個極其短暫的瞬間中，肯定會存在有物質(zhì)，所以此時這個空間就不是我們通常意義上的真空。但事實上，這些粒子與我們熟悉的普通粒子完全不同，它們根本無法作為粒子而直接被我們觀測到，所以無論我們怎樣去觀測怎樣去實驗，看到的也只能是真空。而為了把這種粒子與能夠觀測到的普通的“實粒子”區(qū)分開，物理學(xué)家就將其稱為“虛粒子”，也叫“假想粒子”。

不過，雖說基本粒子的數(shù)量在漲落，但基本粒子并非沒有任何限制地從真空噴涌而出，正所謂無規(guī)矩不成方圓，它們還是要遵守一些基本法的。比如說，根據(jù)海森堡不確定性原理，科學(xué)家推斷出質(zhì)量越大的粒子，消失得就越快。同時，粒子的漲落也必需遵守電荷守恒定律，比如說，電子帶一個負電荷，那么只要真空中生成了一個電子，就會打破空間內(nèi)的電平衡。所以，生成電子時，就必定會成對產(chǎn)生一個帶正電的正電子。而電子消失時，這個正電子也不可能獨善其身，二者必定會相撞從而成對消失。對于其他粒子來說也一樣，生成一個粒子，也必然產(chǎn)生一個與原有粒子電性相反、其他性質(zhì)則完全相同的粒子，這就是所謂的“反粒子”。

就這樣，粒子與反粒子在極短的時間內(nèi)不斷成對產(chǎn)生并成對消失，使得真空世界一直處于萬分喧鬧的狀態(tài)之中。

與上面情形類似的，還有質(zhì)子與中子中的情況。質(zhì)子與中子都是由3個夸克所組成，就像電子那樣，夸克也是一種點狀的基本粒子，我們可以把它們的大小直接看作是0，所以質(zhì)子與中子內(nèi)部其實也是空蕩蕩的，夸克之間的空間也稱得上是某種“真空”。不過，無數(shù)個假想粒子在這個真空中不斷地生成與消失，也與上面情形一樣的是，盡管這也是一個擠滿了無數(shù)個假想粒子的過于密集的空間，但由于無法觀測到假想粒子，所以這里依然是一個真空世界。而正是由于這些假想粒子的存在，質(zhì)子、中子與原子核才得以保持其形狀，這種假想粒子被稱為“膠子”。量子色動力學(xué)認為，夸克不斷釋放和吸收膠子，膠子不斷轉(zhuǎn)變?yōu)槌蓪Φ目淇伺c反夸克，或者再次變回膠子。而膠子這樣的行為便在夸克間產(chǎn)生了四大基本作用力中的“強相互作用力”，并賦予了中子和質(zhì)子以質(zhì)量。

那么我們可不可以證實真空中量子場漲落的存在呢？可惜的是，直接觀測所謂的虛粒子是做不到的，但既然它們存在，就必定會伴隨著能量的產(chǎn)生，所以，如果我們從真空中測得了能量出現(xiàn)，或許就可以間接地證實這些虛粒子的存在。1913年愛因斯坦與核物理學(xué)家奧托-斯特恩預(yù)言，就算從真空中完全清除掉光，里面依然會殘留有被稱為“零點振動”的一種特殊的“光”，這種光將賦予真空能量，而這條預(yù)言，正是基于量子場論所認為的微小漲落的存在。

從愛因斯坦的預(yù)言出發(fā)，荷蘭物理學(xué)家亨德里克-卡西米爾于1948年提出了“卡西米爾效應(yīng)”，該假想認為，如果在真空中放置兩塊金屬板，在極其靠近的狀態(tài)下，兩者將會僅僅因為非常靠近而產(chǎn)生被稱作“卡西米爾力”的引力。不過，由于檢測卡西米爾效應(yīng)的實驗過于精密，所以直到預(yù)言提出后的第49年也就是1997年，科學(xué)家才成功檢測到了卡西米爾力。在實驗中，當(dāng)兩塊金屬板接近到僅僅相隔10納米時，卡西米爾效應(yīng)達到了1個大氣壓左右，此時，金屬板之間雖然有萬有引力的作用，但遠遠小于卡西米爾力，所以可以忽略不計。

卡西米爾

卡西米爾效應(yīng)

那么卡西米爾力是怎么來的呢？剛才我們說了，愛因斯坦預(yù)言真空中存在一種特殊的“光”，也就是所謂的“零點振動”，對于金屬板外側(cè)來說，可以存在各種波長的零點振動。但是金屬板內(nèi)側(cè)就不一樣了，在兩塊金屬板之間，只能存在其半波長的整數(shù)倍與金屬板的間隔恰好一致的零點振動，也就是所謂的“駐波”。所以與外側(cè)相比，金屬板內(nèi)側(cè)可存在的零點振動就非常有限，這就導(dǎo)致金屬板內(nèi)測的能量小于外側(cè)，于是便產(chǎn)生了卡西米爾力。真空能量的存在，由此得到了驗證。

那么如果把這種真空能去掉的話，是不是這下就真的真空了呢？怕是還不夠徹底。1999年，宇宙觀測結(jié)果表明，宇宙空間中充滿了導(dǎo)致宇宙加速膨脹的能量，由于這一能量的本質(zhì)尚不清楚，所以我們將其稱為“暗能量”。那么暗能量的本質(zhì)會是我們剛剛說過的真空能嗎？遺憾的是，目前的觀測并不支持這樣的結(jié)論，因為理論推測的真空能量與天文觀測所推測的暗能量的數(shù)值相差120多個數(shù)量級，也就是相差10的120多次方倍，這實在不知道差到哪里去了。更為神奇的是，暗能量并不隨著宇宙的膨脹而出現(xiàn)絲毫衰減，它的排斥作用是恒定的，這實在是超出了我們的正常認知，即便我們相信真空中存在某種東西，也很難想象究竟是空間中怎樣一種存在，可以像暗能量這般匪夷所思。暗能量，這也是現(xiàn)代物理學(xué)最大的謎團之一。好了，我實在是編不下去了，關(guān)于暗能量的話題，請參考我們的往期節(jié)目《鬼魅暗影：宇宙主宰暗能量》。

說實話，今天這個話題很大，按理說，說個兩三個小時沒有問題，但是由于很多內(nèi)容在往期節(jié)目中都有過專題討論，所以今天不做贅述，二是關(guān)于真空的話題，有很多我實在是不知道怎么編。所以今天長篇就必然要水一天了，不過請放心，熟悉我們套路的人應(yīng)該知道，下周五必然要不知道高到哪里去了，到年底了，很多東西不能有所保留了。

最后為了湊合時間，再總結(jié)一下今天的內(nèi)容。真空其實一點也不空，它并非是空無一物的空間，而是充滿了決定現(xiàn)在宇宙性質(zhì)的各種場和能量。比如說，科學(xué)家通過調(diào)查光為什么能在宇宙空間中傳播，從而發(fā)現(xiàn)了光的傳播并不需要任何物質(zhì)媒介，而是通過能存在于真空的電磁場的振動實現(xiàn)傳播。此外，愛因斯坦與斯特恩還提出了零點振動，并認為真空中存在能量。后來，科學(xué)家通過實驗驗證了卡西米爾效應(yīng)，從而也證實了真空能量的存在。希格斯等人認為，真空中充滿了能賦予粒子質(zhì)量的希格斯場，2013年，科學(xué)家成功發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，從而證明了希格斯場的存在。另外，研究認為，真空中還充滿了使現(xiàn)在宇宙加速膨脹的暗能量，而且早期宇宙的急劇膨脹也是由充滿真空的暴脹子場所導(dǎo)致的。

總之，在真空中發(fā)現(xiàn)的任何奇妙物質(zhì)，都為物理學(xué)的進步作出了巨大貢獻。探明真空的本質(zhì)，也必將解開現(xiàn)代物理學(xué)的各種未知之謎。真空看似空無一物，卻決定了我們的過去、現(xiàn)在，甚至是未來。在一無所有中，也許正蘊藏著宇宙的根本動力，或許真的是“無，名萬物之始”。你我也一樣，縱然看不透這欺世的謎，但仍要相信自己潛藏的能量，它根植于你的存在之中，總有一天，你會找到它，開拓屬于自己的天地，因為我們本就一無所有。