绝对的真空存在于自然界之中吗？
一般情况下来说，在理论上来讲，自然界中真空确实在自然界中极少数的个别现象存在，但是从整个自然界的常态来说，确实不存在绝对真空现象，这也是因为以下几个方面的原因。1，对我们来说绝对的真空，大多数时候并非我们认识中的绝对的真空空间，所以说在自然界也是很难存在的。其中我会发现绝对真空确实在自然界很难找到，而且对我们来讲任何物质都是来不断运动的，所以说正因为如此，在自然界中很难形成绝对意义上的绝对，监控的空间，所以说这种空间也是不存在的。2，在宇宙之中，类似于绝对的真空确实存在，但是也是极个别的现象，可能在某些荒凉的星球上就存在这种绝对监控的存在。其实对我们来说，绝对真空确实在语录中也是很少见的，而且从某种意义上来讲，尽管语录之中仍是大多监控的存在，但是还是要有一些物质进行补充，从某些意义上来讲，我们所认知中的宇宙并非是一个真空的存在，而且我觉得真空可能在一些荒凉的星球上就是存在类似于绝对真空的空间，但是和绝对的真空还存在一定的区别。3，世界上一切的物质都在不断运动，正因为如此绝对真空在自然条件下是不存在的，而且如果说没有人为的干涉，绝对真空也是要很难诞生的。其实以人类的认知和发现来说，由衷的世界万物都是在不断运动之中，所以说正因为如此，在这种状态下很难形成绝对阵容的存在，而且啊，如果说没有人为或其他生物干涉的话，绝对真空也是很难诞生的。其实对于我们来说，大多数时候绝对真空是要在自然界中很少见的，而且几乎，可以说严格意义上，最终控制在自然界是不存在的，而且自然界的真空就是存在于极个别的现象，因此更需要，人们的不断探索发现。
有天然的真空环境吗？
真正的真空，也许没你想的那么空文章来自中国物理学会期刊网，作者 涂涛 郭光灿。谈起真空这个概念，从中文字面上的意思似乎是空空如也。然而在物理学中，这个看似空无一物的概念却有着非常丰富的内容。下面我们将追溯在物理学中，特别是在量子力学基础上建立起来的现代物理学中，如何对真空这个概念给予非常有趣、也非常重要的理论思考和实验探索。不难发现，真空这个概念，是与空间、物质、能量等物理学最基本概念紧密联系在一起的，对于它的研究往往是物理学中最为深刻、也最为令人困惑的根本性问题。也许“真空不空”是对它最好的诠释。1.经典物理框架下的真空：以太19世纪中叶，麦克斯韦建立了电磁学的理论：经典电动力学，进一步指出光就是一种电磁波，电磁波在空间中以光速传播。那么电磁波是如何在空间传播的呢？当时物理学家对于波动的图像主要来自于声波和水波，例如空气的压缩可以形成声波，水的振动可以形成水波。因此，直观地来看，波动是需要依赖于某种媒介的。既然电磁波能够在整个空间传播，物理学家很自然地认为，整个宇宙空间都弥漫着一种特殊的媒介，叫做“以太”，电磁波就是以太的振动而形成的。这可以看成是当时物理学界对于真空这个概念比较流行的看法，即真空中充满着以太。19世纪末，著名的迈克耳孙—莫雷实验，利用光的干涉效应对于这种以太进行了一次实验测量。如果这种以太存在的话，根据牛顿力学的速度叠加原理，在地球上朝着不同方向传播的光的速度有微小的差异，那么两条光路的干涉效应可以表现出这一差异。当时迈克耳孙—莫雷实验已经达到了非常高的测量精度，然而这个实验却没有观察到预期的光速的差异。这个著名的实验也被开尔文爵士称为“在物理学明朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云”之一，成为困惑物理学界的重大问题。1905年，爱因斯坦提出了狭义相对论，其中有两条基本原理：相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦指出，只要放弃牛顿力学中绝对空间和绝对时间的概念，迈克耳孙—莫雷实验的困惑就可以得到解决，完全不需要引入以太。电磁场本身就是一种物质，电磁波是这种物质的运动形式之一，不需要依赖像“以太”这种媒介就可以在空间中传播。爱因斯坦的相对论给予经典的以太概念以致命的一击，至此经典的以太论被人们所摒弃。有趣的是，爱因斯坦在晚年时期，为了统一场论，对以太的概念情有独钟，曾亲切地称之为“我们的以太”。可见，尽管经典的以太概念不正确，但是新的以太概念必将在物理学基本问题中占有至关重要的地位。2.相对论量子力学中的真空：狄拉克的电子海20世纪有两大物理学的革命：相对论和量子力学。从研究开尔文勋爵所说的两朵乌云的另一朵——黑体辐射开始，普朗克、玻尔、海森伯、薛定谔、玻恩、泡利等众多著名物理学家建立起微观世界的理论：量子力学。当时量子力学的基本运动方程——薛定谔方程，在洛伦兹变换下不满足协变性，即它是一种非相对论性的方程。1927年，狄拉克利用4个分量的波函数来描写电子，提出了满足相对论协变性的量子力学方程——狄拉克方程。这个方程可以说是把量子力学与相对论协调在一起的第一次成功尝试，而且这个方程还可以自然地导出电子自旋的结果，被人们公认为现代理论物理学的一个巨大成就。但是，狄拉克方程也预言了一个非常有趣、也令人困惑的结果：狄拉克方程的解，不但有正能量的电子，还存在负能量的电子。如何理解这些负能量的电子呢？狄拉克又一次地利用“真空不空”的概念。如图1 所示，狄拉克认为，真空中是所有负能量的状态，根据泡利不相容原理，每个负能量的状态都有一个电子占据着。真空可以看成填满了所有负能量状态的电子形成的大海，而带有正能量的电子则在这个海面上运动。图1真空是负能量的电子海这样一个真空是电子海的图像可以说是令人相当惊奇的。如果一个高能量的γ射线入射到电子海中，这时海中将有一个电子被激发到海面上，而电子海中也会留下一个空穴 (相当于一个带正电荷的电子在真空中运动) 。安德森 (C. Anderson) 在宇宙线照射的云室中，发现了一个与电子质量相等、却带有正电荷的电子——正电子，非常有利地支持了狄拉克的理论预言。因此，狄拉克和安德森因为这一开创性的工作，分别获得1933年度和1936年度的诺贝尔物理学奖。我们看到，真空的概念在这里得到了一次飞跃。形象地说，某种以太的概念又回来了，不过是以电子海的形式。3.量子电动力学中的真空(一)：真空涨落、兰姆位移和电子反常磁矩电磁场是人们最为熟悉的场，薛定谔方程和狄拉克方程也讨论了微观粒子和电磁场的相互作用，不过其中，电子是量子化的，而电磁场是经典的。很显然，一个完整的关于电子与电磁场相互作用的理论，应该是全量子化的。20世纪中叶，施温格 (J. Schwinger) 、费曼 (R. Feynman) 和朝永振一郎 (S. Tomonaga) 分别建立了电子与电磁场相互作用的量子理论——量子电动力学。量子电动力学是一种量子场论，电子场的激发和激发消失，对应于电子的产生和湮灭，而电磁场的激发和激发消失，对应于光子的产生和湮灭。如图2(a)，电子之间的相互碰撞可以用形象的费曼图表示：电子发射出一个虚光子，然后被另一个电子所吸收，这样两个电子通过交换虚光子发生相互作用。此时初态和末态，都是可以被直接观测到的真实粒子，而所有中间过程的粒子，存在的时间很短，被称为虚粒子。图2 (a)简单的费曼图；(b)量子电动力学非常有趣的是，“真空不空”的概念在这里再次扮演了一个重要角色。如图2(b)所示，这是一个更高阶的过程。电子发射出的虚光子可以变成一对虚的正负电子，然后这对虚的正负电子又湮灭重新变成一个虚光子，这个虚过程 (即图2(b)中的圆圈) 被称为真空极化。可见，在量子电动力学的世界中，看似电子处在真空中运动，实质上真空中存在着大量的虚的光子、正负电子对。形象地说，电子此时“穿了衣服” (dressed electron) ，而这件衣服就是真空涨落形成的。真空涨落将引起电子自能的微小改变，一般这个效应对于电子能量的改变仅在MHz量级 (微波段) 。美国物理学家兰姆 (W. Lamb) 利用微波技术，测量了氢原子中电子最低的两个激发态能级2s1/2， 2p1/2，发现的确真空涨落将引起电子能级的微小变化，称为兰姆位移。真空涨落还将屏蔽电子自旋。美国物理学家库什 (P. Kusch) 利用磁共振技术，测量了电子磁矩，发现真空涨落将引起电子磁矩偏离简单的玻尔磁子，ae =(g－2)/2，称为反常磁矩。可以来比较一下，通过量子电动力学的计算，兰姆位移的理论值是1057.864 MHz，而实验测量值为1057.862 MHz；电子反常磁矩的理论值是ae=1159651.7 × 10-9， 而实验测量值为ae=1159656.7×10-9。理论和实验可以在惊人的精度上相一致。量子电动力学可以说是目前物理学中最为成功的理论之一，费曼等3人因此荣获1965年度诺贝尔物理学奖，而兰姆和库什也获得了1955年度诺贝尔物理学奖。我们看到，真空的概念在这里再一次得到了丰富。形象地说，这里的真空是虚的光子和正负电子对的海洋。4.量子电动力学中的真空(二)：Casimir效应量子电动力学是粒子与电磁场相互作用的量子理论，基于真空涨落所预言的电子能级移动和电子反常磁矩已经在极高的精度上得到了证实。不过这些效应总的来说是真空丰富的物理内容的一种间接反映，能否有一个关于真空的直接可观测的效应呢？这是一个饶有趣味的重要问题。1948年，荷兰物理学家卡西米尔 (H. Casimir) 提出：在真空中两块平行放置的中性导体平板之间，存在微弱的吸引力，称为卡西米尔效应。很显然，在经典电动力学中，两块不带电的中性导体平板之间是没有任何作用力的。可是在量子电动力学中，电磁场可以量子化为各种能级的谐振子。两块平板之间的真空，也就是量子电动力学的基态，实质上是充满大量谐振子的集合。可以计算得到依赖于两平板之间距离的真空能量，即卡西米尔能量。而两平板之间的相互作用力，可以看成是卡西米尔能量对于平板之间距离变化的导数。卡西米尔效应是一种真空的量子力学效应，不过它的信号是很微弱的。对于两块1 cm2大小的平行金属板，相距仅1μm时，真空产生的相互吸引力仅为10m-7N，测量如此微小的力是一个巨大的实验挑战。实验物理学家采用高精度扭摆、原子力显微镜等手段来测量卡西米尔力，取得了一系列的进展。一个最新的突破是在2011年，瑞典的研究组将超导微波腔的两个镜面作为两个平板，利用微波光子的测量技术，精密测量5.量子规范场论中的真空：真空对称自发破缺、质量的起源和Higgs 粒子自然界中有四种基本的相互作用，其中电磁相互作用已经建立起它的量子理论——量子电动力学。在量子电动力学巨大成功的鼓舞之下，物理学家开始探索如何建立起其他相互作用的量子理论。在量子场论中，每一种粒子对应于一种场，粒子是场的量子，场可以用含时空坐标的函数来描写。场函数满足一个运动方程，这个运动方程可以从拉格朗日量推导出来，它决定了场或粒子的运动规律。有趣的是，量子规范场论具有某种特殊的对称性。例如，在规范变换下，拉格朗日量具有不变性，由它导出的运动方程也具有不变性，因此场或粒子的运动规律在规范变换下保持不变。电磁相互作用的量子理论满足定域U(1) 的规范不变性，而弱相互作用的量子理论满足定域SU(2) 的规范不变性。1960年代，3位杰出的理论物理学家：格拉肖 (S. Glashow) 、温伯格 (S. Weinberg) 和萨拉姆 (A. Salam) 利用满足SU(2) × U(1)的规范不变性建立起弱相互作用和电磁相互作用的统一的量子理论。然而，这样一个看上去非常宏伟的量子理论却遇到了根本性的困难：规范不变性要求这些粒子没有质量。这个矛盾困扰了物理学家很久，很有意思的是，“真空不空”的概念再次让人们取得了突破性的进展。1961年，美籍日裔理论物理学家南部阳一郎 (Y. Nambu) 提出：拉格朗日量具有某种对称性，但是系统的基态或真空态不具有这种对称性，称为真空对称自发破缺。如图3(a)所示，一个大的磁体，其中有很多个小磁针。当温度很高时，这些小磁针的取向是任意的，整个磁体有着空间旋转不变性，即表现为没有任何特殊的方向性。但是当温度降低到居里温度以下，这些小磁针会沿着某个方向排列，出现了自发磁化，因此整个磁体的空间旋转不变性遭到了破缺。如果用理论的语言来概括，描写磁体的拉格朗日量具有空间转动的不变性，但是由于最低能量的基态或真空态变成了自发磁化的状态，所以整个系统的对称性破缺了。作者：返朴链接：https://www.zhihu.com/question/57158283/answer/813797940来源：知乎著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。
