真空，從字面上來(lái)理解就是“什么都沒(méi)有”，不過(guò)這樣的真空是不存在的。物理學(xué)上對(duì)真空的定義是，除了時(shí)空之外，完全虛無(wú)的狀態(tài)。也就是說(shuō)，只有時(shí)空，其他什么都沒(méi)有的狀態(tài)就是真空。

那么這樣的真空是否存在呢？

古代人類對(duì)真空就很好奇，不過(guò)當(dāng)時(shí)的科技水平受到很大限制，人們對(duì)真空的認(rèn)知更多的只停留在思想實(shí)驗(yàn)層次，甚至需要哲學(xué)思想去理解真空。

人類對(duì)真空真正的認(rèn)識(shí)開(kāi)始于17世紀(jì)。1641年，物理學(xué)家托里拆利做了這樣的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)很簡(jiǎn)單。

一根一米長(zhǎng)的管子注滿水銀，然后用手堵住管子的開(kāi)口，倒放在裝滿水銀的槽里。之后他發(fā)現(xiàn)管里的水銀長(zhǎng)度下降到76厘米，最上端出現(xiàn)了24厘米的真空狀態(tài)。

其實(shí)這就是最早的氣壓計(jì)。那么水管上面24厘米高的真空環(huán)境果真是“真空”嗎？

如今我們知道，那24厘米高的局部不可能是真空，因?yàn)殡m然看起來(lái)什么都沒(méi)有，但由于宇宙中充滿了各種能量的電磁波，它們能輕易穿透物體。所以那24厘米高的環(huán)境不會(huì)是真空，各種電磁波會(huì)穿過(guò)那里，還有我們看不到的中微子，它們無(wú)處不在。

那么，如果把所有的電磁波，中微子等微觀粒子全部去除掉，剩下的環(huán)境就是真空環(huán)境了嗎？

同樣不是。雖然從宏觀上來(lái)看，好像只有時(shí)空，其他什么都沒(méi)有了，但如果我們把所謂的真空不斷放大，到了微觀世界，我們就會(huì)有不一樣的發(fā)現(xiàn)。

因?yàn)樵诹孔訉用妫婵者h(yuǎn)比我們想象的更復(fù)雜。即便我們能去除真空中的一切物質(zhì)，甚至讓真空的溫度達(dá)到絕對(duì)零度，真空也不會(huì)是絕對(duì)的真空。

基于量子力學(xué)發(fā)展起來(lái)的量子場(chǎng)論認(rèn)為，所謂的真空，其實(shí)時(shí)刻充斥著不同類型的量子場(chǎng)，每種量子場(chǎng)都對(duì)應(yīng)著一種基本粒子。通常情況下，量子場(chǎng)處于基態(tài)，也是最穩(wěn)定的狀態(tài)，就像風(fēng)平浪靜的大海一樣。

不過(guò)根據(jù)量子力學(xué)的不確定性，時(shí)間和能量的不確定性必須不小于一個(gè)常數(shù)，這意味著處于基態(tài)的量子場(chǎng)一定會(huì)存在波動(dòng)，而且時(shí)間越多，能量波動(dòng)就越大。這就像溫度不可能達(dá)到絕對(duì)零度，速度不可能超越光速一樣，量子場(chǎng)也不可能完全處于基態(tài)，它一定會(huì)受到擾動(dòng)從而成為激發(fā)態(tài)。

在某一瞬間，量子場(chǎng)的波動(dòng)可能非常大，這樣真空就能憑空衍生出一對(duì)正反虛粒子，這并不違反能量守恒定律，因?yàn)檠苌鰜?lái)的正反虛粒子會(huì)瞬間湮滅消失。

之所以被稱為“虛粒子”，就是因?yàn)槲覀儾荒苤苯佑^測(cè)到它們的存在，與真實(shí)存在的粒子有些不同，嚴(yán)格意義上來(lái)講，虛粒子并不是粒子。

你可能會(huì)問(wèn)：既然看不到虛粒子，怎么確定它們的存在呢？

雖然看不到，但我們可以根據(jù)它們與真實(shí)存在的粒子發(fā)生作用，進(jìn)而確定虛粒子的存在。具體過(guò)程這里就不詳述了。

總的來(lái)說(shuō)，真空不空，真空也擁有能量，也就是所謂的“真空零點(diǎn)能”，真空中時(shí)刻存在真空波動(dòng)，看起來(lái)就像是平靜的海面突然變得洶涌澎湃一樣。

真空不但擁有能量，而且擁有的能量多少還是相對(duì)的。也就是說(shuō)，真空也有等級(jí)之分，有些真空相對(duì)來(lái)講比較空，而有些真空就不那么空。

著名的物理學(xué)家卡西米爾曾經(jīng)在1948年做過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)，在真空中讓兩張薄金屬片相互靠近，由于金屬片不帶電，所以它們不會(huì)相互吸引或排斥。

不過(guò)，當(dāng)金屬片靠得足夠近的時(shí)候，奇怪的事情發(fā)生了，兩張金屬片竟然開(kāi)始相互靠近，好像兩者之間產(chǎn)生了引力一樣。

這其實(shí)就是卡西米爾效應(yīng)。并不是金屬片相互吸引，原因在于，由于兩張金屬片靠得足夠近，內(nèi)側(cè)的波動(dòng)會(huì)受到限制，只有波長(zhǎng)更短的波動(dòng)才可以存在。而金屬片外側(cè)的波動(dòng)不會(huì)受到任何限制。

于是外側(cè)的波動(dòng)就比內(nèi)側(cè)的波動(dòng)更多更劇烈，外側(cè)衍生出來(lái)的虛光子就會(huì)更多，進(jìn)而擠壓金屬片，讓兩張金屬片相互靠近。

那么有沒(méi)有什么辦法讓虛粒子變成我們能觀測(cè)到的真實(shí)粒子呢？從而可以無(wú)中生有獲取能量？理論上確實(shí)能讓虛粒子變成真實(shí)的粒子，但并不能憑空獲取能量。

比如說(shuō)，上面所說(shuō)的卡西米爾效應(yīng)，我們可以來(lái)來(lái)回回地不斷拉扯其中一片金屬片，讓兩張金屬片不斷靠近然后遠(yuǎn)離，一直重復(fù)這個(gè)動(dòng)作，在和這個(gè)過(guò)程中，某些本應(yīng)該湮滅的虛粒子對(duì)，可能會(huì)因?yàn)榻饘倨牟粩嘁苿?dòng)找不到自己的“另一半”，從而變成真實(shí)的粒子。

這個(gè)過(guò)程并不能無(wú)中生有，因?yàn)槲覀円哺冻隽四芰浚?/p>

類似的還有霍金提出的“霍金輻射”，黑洞事件視界附近會(huì)衍生出虛粒子對(duì)，通常情況下它們會(huì)瞬間湮滅，但某個(gè)偶然情況，某個(gè)虛粒子被黑洞吞噬，另一個(gè)虛粒子就會(huì)逃逸到太空成為真實(shí)的粒子，這個(gè)過(guò)程表現(xiàn)出來(lái)的就是黑洞的蒸發(fā)，黑洞就是通過(guò)這種方式不斷蒸發(fā)，最終消失的！