何為“真空”？

我們的日常生活中，經常會聽到“真空”的概念，比如說最常見的“真空食品包裝”。但我們通常所說的“真空”只是一種“把空氣抽出來”之後的狀態，且不說能不能完全把空氣抽乾淨，即使能抽乾淨，就真的是“真空”嗎？

顯然並不是，比如說一個玻璃瓶，即使裡面的空氣完全抽乾淨，裡面還會有一些東西存在，比如說最常見的光，還有中微子，各種宇宙輻射等。

再退一步講，即使以上這些東西都沒有，瓶子裡真的什麼都沒有了嗎？

仍然不是，不管你如何清理瓶子裡面的東西，你都無法清理掉一樣東西：空間（時空），你不可能把瓶子裡面的時空清理掉。

這說明了一點：絕對的“真空”是不存在的，起碼目前人類無法制造出絕對的真空。

事實上，人類歷史上對真空的認知和辯論從來就沒有停止過，“真空”看起來如此的單調，但其實裡面隱藏的東西是如此的豐富多彩，也正因為如此大的反差，“真空”的概念不但讓古代人類捉摸不定，即使現代科學家也會為“真空”感到苦惱。

從人類文明開始以來，人們對真空的爭論就一直存在：真空在現實中到底有沒有可能存在？

比如說，著名哲學家亞里士多德就曾提出“自然界非常厭惡真空”的觀點，它認為自然界根本不允許真空的存在。這也是為什麼在我們費盡心機想製造一些真空的時候，大自然總是會“阻止”我們這樣做，總是會讓真空中出現某些東西。

不過當時人們受制於非常有限的科學知識，對於真空的認知基本上停留在哲學思想階段，很難用實踐來證明。而直到17世紀左右，人類才真正開始用科學物理實驗手段來了解真空。

17世紀中葉，義大利著名科學家托里拆利做了這樣一個實驗。

在一條大約1米長的玻璃管中注滿水銀，用手指堵住玻璃管的一端，另一端倒著放在裝滿水銀的盆中，結果他發現了一個驚人的現象。

觀眾的水銀柱末端只有大約76釐米高，而玻璃管的上方大約24釐米的高度是沒有水銀的，也不可能有空氣存在，因為整個過程空氣沒有機會進入玻璃管中。

玻璃管上方的24釐米到底是什麼呢？托里拆利認為就是“真空狀態”。整個實驗也被叫做“托里拆利實驗”，實驗的裝置其實就是人類發明的最早的氣壓計。後來經過不斷改良，人類也製造出了第一個真空泵。

在之後的幾百年時間裡，人們更好地掌握了製造真空的技術，“真空物品”越來越多地出現在我們生活中。也正因為如此，科學家對真空的好奇心越來越強：真空真的是“空無一物”嗎？如果不是，那裡到底還有什麼？

在宏觀世界，我們看到的真空好像真的是“一無所有”，但其實遠非如此。如果我們把真空一步步放大，放大到量子世界層面，會發現真空比我們想象的要複雜得多，甚至比我們的宏觀世界還要複雜。

就如剛才所說，一個玻璃管裡的空氣都抽乾淨，玻璃管裡的空間與外界完全隔離，沒有任何光，輻射，中微子等進入玻璃管內，甚至那裡的溫度達到絕對零度，玻璃管內的空間也絕非“什麼都沒有”，恰恰相反，那裡非常活躍。

根據量子力學的詮釋，那裡無時無刻不在上演“量子起伏”，成對的虛粒子隨機衍生出來，然後瞬間消失。衍生的方式是透過“賒借”能量，消失之後把能量歸還給真空，總能量保持守恆。只要虛粒子衍生然後消失的速度足夠快，這一切都可以發生。這種虛粒子的不斷衍生消失讓真空保持“激發態”。

而一般情況下，如果真空真的什麼都沒有，那麼我們可以說真空處於“基態”，真空總的能量應該是零。但事實並不是這樣。由於量子力學中的不確定性，任何物理態的能量值都會存在一定的波動，而且時間間隔越短，能量波動就越大，兩者的關係如下：

所以即使是我們所說的真空，內部其實是很活躍的，不確定性意味著衍生出來的虛粒子也有一定的波動，根據熱力學定律，即便是真空環境也不可能達到絕對零度。不僅如此，早某個瞬間，真空的能量波動甚至是非常大的，可以在產生很多的虛粒子對。

這些虛粒子並不是真實的粒子，與我們現實中所說的粒子（比如說電子）並不一樣，現實中我們觀察不到虛粒子的存在，因為一旦我們實施了觀測，虛粒子對變回瞬間發生碰撞然後湮滅了。

你肯定會提出這樣的質疑：既然我們觀察不到虛粒子，又該如何證明它們的存在呢？

這是個很好的問題，但其實也是個“很笨”的問題，因為在宇宙探索的過程中，大多數物質我們都無法直接觀察到，宇宙實在太大了，很多時候我們只能透過間接的手段確定某個事物的存在。虛粒子也是如此。

雖然我們無法直接觀察到虛粒子，但虛粒子可以與現實中真實存在的粒子發生作用，於是科學家就可以透過研究分析這些相互作用來確定虛粒子的存在。

比如早在1947年物理學家蘭姆與其學生盧瑟福就發現“真空”中存在某種真空波動，這種波動影響氫原子核的電勢，根據量子電動力學的詮釋，這種真空波動真是真空中存在的虛電子與虛正電子的真空波動。

所以說，絕對的真空是不存在的，真空也擁有能量，也就是所謂的“零點能”。雖然名字是“零點能”，遠不意味著真空的能量就是零，事實上那裡存在能量巨大的真空波動，究竟有多大能量，目前仍舊是一個巨大的謎團。

真空具有能量，同時真空其實也是一個相對的概念。

科學家曾經做過這樣的實驗。在真空中放置兩片平行的不帶電荷的金屬板，把它們無限靠近。金屬板內側空間的真空波動會出現篩選機制，只有波長小於某個特定波段的電磁波才可以在內側存在，而外側不受這樣的限制。

於是金屬板外側的電磁波真空波動會多於內側，就會出現內外的能量差異，外側的真空漲落會強於內側，造成的結果就是金屬板外側的壓力比內側強，金屬板就表現出某種無形的吸引力。這也是著名的“卡西米爾效應”，實驗也在1996年得到證實。

說點題外話：雖然真空中存在巨大能量，但要想計算出究竟有多大的能量是非常複雜的，其中涉及到量子場論中深奧的課題：重整化，計算過程中甚至會出現1+2+3+4+……=-1/12這樣“違反數學規律”的發散無窮極數，這裡就不做詳細說明了，感興趣的可以搜尋相關話題自行研究。

說重點，既然真空蘊藏著很大的能量，我們能否利用這種能量呢？

理論上確實可以，只要是能量就可以利用。但是獲取的方式並不像我們平時從大自然獲取能量那樣，因為根據熱力學定律，能量是不能無中生有的，首先需要在真空中打破熱平衡，做區域性的能量差異才可以，而這個過程我們付出的能量也不會比真空中獲得能量多，這種獲取能量的方式顯示沒有多大實際意義，起碼目前是這樣。

就像上面所說的“卡西米爾效應”，我們需要把兩塊金屬板不停地來回來拉拽，加速移動兩塊金屬板才可以讓虛粒子轉化為真實的光子，然後獲取能量，但這個過程我們需要首先付出巨大能量。說白了，能量之間只能相互轉化，絕不會真的出現“無中生有”！

人類對真空研究並未停止，那裡或隱藏著更深的宇宙奧秘，因為宇宙大爆炸理論告訴我們，浩瀚宇宙就誕生於“無中生有”！關於真空的本質，我們還有很長的一段路要走！