上周，12月11日，《自然》雜志報(bào)道了一項(xiàng)足以撕掉全世界物理課本的研究：聲音能夠在真空里傳播！

　　我們初中的物理課本說(shuō)：聲音的傳播是需要介質(zhì)的，所以真空中是無(wú)法傳播聲音的。

　　到高中之后，我們的物理書(shū)又進(jìn)一步解釋道：聲音的本質(zhì)是物質(zhì)分子的振動(dòng)所引起的一種波，因?yàn)檎婵帐强盏模?dāng)然也就沒(méi)有物質(zhì)分子的振動(dòng)，所以振動(dòng)的聲波就傳不過(guò)去。

　　實(shí)驗(yàn)事實(shí)是不會(huì)錯(cuò)的，那么我們的教科書(shū)錯(cuò)了嗎？

　　其實(shí)在上面這段話里，我們“理所應(yīng)當(dāng)”地認(rèn)為真空是全空的。但是，在量子世界里，沒(méi)有任何事情是理所應(yīng)當(dāng)?shù)摹?/p>

　　那么，真空里到底有什么？這和聲音在真空中傳播有什么關(guān)系？

　　別急，我們馬上就來(lái)說(shuō)一說(shuō)關(guān)于“真空不空”的故事。在這個(gè)故事里，我們將會(huì)看到，真空里的東西不但能傳播聲音，還是讓壁虎能夠趴在墻上的原因，更是大名鼎鼎的霍金輻射（也稱黑洞輻射）的源頭。

　　1.彈簧與小球：量子場(chǎng)論的緣起

　　約100年前，人們已經(jīng)知道，原子中的電子如果吸收能量，那么自己的能量就會(huì)升高；如果想跳回原來(lái)的狀態(tài)，必須要通過(guò)釋放一份電磁波的形式來(lái)釋放能量，這份波被愛(ài)因斯坦稱為光子。

　　這個(gè)現(xiàn)象就好比人如果吃了葡萄皮，那么他可以吐出一個(gè)葡萄皮，比較平淡無(wú)奇。

　　但人們還發(fā)現(xiàn)，有時(shí)電子不用吸收能量，也會(huì)主動(dòng)釋放光子，這一現(xiàn)象叫做自發(fā)發(fā)射。這就類(lèi)似一個(gè)人沒(méi)有吃葡萄皮，但是也能吐葡萄皮，這個(gè)現(xiàn)象就比較詭異。

　　1927年，物理學(xué)的一代宗師狄拉克給出了一個(gè)解釋。他認(rèn)為：真空中雖然看起來(lái)沒(méi)有葡萄也沒(méi)有葡萄皮，但這只是表面現(xiàn)象。真空中存在著許多的“葡萄-葡萄皮”組成的對(duì)子，它們產(chǎn)生得很快，消失得也很快，差不多同時(shí)發(fā)生，使得真空表現(xiàn)得像是沒(méi)有葡萄一樣。

　　現(xiàn)在假想一個(gè)“葡萄-葡萄皮”對(duì)子出現(xiàn)在你嘴邊，此時(shí)恰好葡萄掉進(jìn)了你的嘴里，于是你吸收了一個(gè)葡萄，而真空中就剩下了一個(gè)葡萄皮。所以看起來(lái)就好像你雖然沒(méi)吃任何東西卻吐了一個(gè)葡萄皮一樣，只不過(guò)這個(gè)葡萄是真空投喂給你的，我們只觀察到了剩下的皮而已。

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　　玻爾曾說(shuō)：“在所有的物理學(xué)家中，狄拉克擁有最純潔的靈魂?！钡依藞?jiān)持認(rèn)為物理方程應(yīng)該擁有完美的數(shù)學(xué)形式，并以此信條來(lái)指導(dǎo)自己的研究。對(duì)于“丑陋”數(shù)學(xué)的拒絕使他后來(lái)的研究逐漸偏離了主流。圖為1930年前后的狄拉克。（圖片來(lái)源：維基百科）

　　這一假說(shuō)由于完美解釋了自發(fā)發(fā)射而獲得了成功。經(jīng)過(guò)一系列修正和重塑（尤以楊振寧教授的大師之作——楊-米爾斯理論最為重要）之后，這套理論發(fā)展為后來(lái)的量子場(chǎng)論。

　　其主要觀點(diǎn)也很簡(jiǎn)單：首先，對(duì)于任何物質(zhì)（或能量）來(lái)說(shuō)，都有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的“場(chǎng)”，例如光子對(duì)應(yīng)電磁場(chǎng)，電子對(duì)應(yīng)電子場(chǎng)。場(chǎng)可以看作是由許多被彈簧連著的小球組成的，每個(gè)場(chǎng)都充滿著整個(gè)空間。

　　注釋：如何理解此處的“任何”二字呢？這里的任何是可以在字面意義上來(lái)理解的。例如，對(duì)象對(duì)應(yīng)著對(duì)象場(chǎng)，頭發(fā)對(duì)應(yīng)著頭發(fā)場(chǎng)。按照量子場(chǎng)論，真空中電磁場(chǎng)漲落能夠產(chǎn)生光子，電子場(chǎng)漲落可以創(chuàng)造電子，對(duì)象場(chǎng)的漲落是可以創(chuàng)生出對(duì)象的，而頭發(fā)場(chǎng)的漲落是可以創(chuàng)造頭發(fā)的。先別高興得太早——物質(zhì)越大，產(chǎn)生的概率就越小。連電子產(chǎn)生的概率都已經(jīng)無(wú)限接近于零了，就不要妄想獲得頭發(fā)和對(duì)象了。

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　　圖片來(lái)源于新浪微博

　　然后，由于彈簧的存在，所以每個(gè)小球都在不停振動(dòng)，科學(xué)家稱之為“漲落”。如果這個(gè)振動(dòng)太劇烈使得彈簧被拉斷，那么就會(huì)得到自由的小球。例如，電子場(chǎng)的漲落可以產(chǎn)生一個(gè)電子。

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　　水波的漲落可以偶爾產(chǎn)生一個(gè)水珠，而這個(gè)水珠又快速落回水波里，場(chǎng)的漲落產(chǎn)生粒子的過(guò)程與此類(lèi)似。

　　最后，自由小球重新回到小球陣列中。自由小球不斷地從空間中快速產(chǎn)生又消失，從而使得空間中整體而言不存自由的小球，維持一個(gè)整體的平衡。

　　2.卡西米爾效應(yīng)

　　每個(gè)新理論出現(xiàn)之后，科學(xué)家總是急于尋找驗(yàn)證它的方法。

　　1948年，荷蘭理論物理學(xué)家卡西米爾通過(guò)純理論計(jì)算找到了一種驗(yàn)證上述理論的方法，這就是著名的卡西米爾效應(yīng)。

　　設(shè)想有一個(gè)大的真空空間，其中有兩個(gè)平行金屬板。由于兩板之間的空間相對(duì)于板外來(lái)說(shuō)比較小，因此如果量子場(chǎng)論是正確的，那么板間的場(chǎng)里含有的小球數(shù)應(yīng)該少于板外空間。那么，板間的小球?qū)Π宓淖矒袅?yīng)該小于板外小球?qū)Π宓淖矒袅?，所以板?huì)受到外界的擠壓力。

　　很快，這一理論預(yù)測(cè)的現(xiàn)象就被觀測(cè)到了。在真空中的平行金屬板受到了真空施加的擠壓力。

　　也就是說(shuō)，真空里確實(shí)有很多小球！真空不是空的！

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　　由于板間的場(chǎng)漲落產(chǎn)生的粒子少，因此會(huì)感受到外面空間產(chǎn)生的壓力，這就是卡西米爾效應(yīng)。

　　根據(jù)狹義相對(duì)論，物質(zhì)和能量的本質(zhì)是一樣的，真空中有很多小球，就意味著真空中有不為零的能量?？茖W(xué)家能夠計(jì)算出真空中能量的數(shù)值，稱之為零點(diǎn)能。

　　可不要小看零點(diǎn)能哦，雖然平時(shí)我們感受不到它的作用，但是當(dāng)兩個(gè)金屬板距離很近的時(shí)候（例如10納米左右），真空零點(diǎn)能能夠在金屬板上施加約1個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)。因此在高級(jí)計(jì)算機(jī)芯片或者航天器設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須考慮卡西米爾效應(yīng)的影響。

　　3.聲音穿過(guò)了真空

　　量子場(chǎng)論認(rèn)為，所有的物質(zhì)和能量都可以對(duì)應(yīng)一個(gè)真空中的場(chǎng)，那么聲音作為一種振動(dòng)能量，也可以對(duì)應(yīng)一個(gè)振動(dòng)能量的場(chǎng)。

　　讓我們?cè)俅慰紤]兩個(gè)真空中的平行金屬板，它們之間存在上述的振動(dòng)能量場(chǎng)。如果在一個(gè)板上施加振動(dòng)能量，這個(gè)能量會(huì)和板間的振動(dòng)能量場(chǎng)發(fā)生交互，從而引起另一片金屬板的振動(dòng)，這便是聲音的卡西米爾效應(yīng)。也就是說(shuō)，聲音可以通過(guò)真空傳播。在微觀層面上，分子振動(dòng)也是一種熱現(xiàn)象，因此聲音能穿過(guò)真空而傳播，也就意味著熱量也可以跨越真空而傳播。

　　注釋：熱量傳遞的方式有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射，其中傳導(dǎo)和對(duì)流是需要介質(zhì)的，輻射不需要介質(zhì)，但是能量是以電磁波的形式傳播的。本實(shí)驗(yàn)中證明的熱量跨越真空傳播，并非通過(guò)輻射形式而傳播，是真正意義上的熱量不需要介質(zhì)而傳播。

　　雖然理論上可以預(yù)測(cè)該效應(yīng)，但是由于它十分微弱，所以觀測(cè)是很困難的。加州大學(xué)伯克利分校的Zhang lab在巧妙設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置的幫助下，首次觀測(cè)到了聲音在真空中傳播的現(xiàn)象，也即本文開(kāi)頭處所提到的研究成果。

　　這再次證明了量子場(chǎng)論的主要觀點(diǎn)：“真空不空”和“萬(wàn)物皆場(chǎng)”。

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　　當(dāng)兩個(gè)金屬板間的距離小于500納米時(shí)，能夠觀察到高溫物體的溫度（T2）減小而低溫物體的溫度（T1）增加，也就是說(shuō)熱量（振動(dòng)能量，也就是聲音的能量）跨越了真空而傳播。實(shí)驗(yàn)排除了對(duì)流和輻射的干擾。

　?。▓D片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

　　4.黑洞與壁虎

　　為什么霍金說(shuō)黑洞會(huì)發(fā)出輻射？壁虎又為什么能夠掛在墻上？這都跟我們今天講的量子場(chǎng)論和卡西米爾效應(yīng)有關(guān)。

　　霍金利用真空不空的原理預(yù)言了黑洞輻射的存在。

　　他的主要觀點(diǎn)為：黑洞是一種光速都無(wú)法逃離其引力的天體。我們考慮黑洞邊緣的空間，由于場(chǎng)的漲落，有可能產(chǎn)生一對(duì)正反物質(zhì)小球。由于量子力學(xué)的測(cè)不準(zhǔn)原理，這對(duì)小球的速度有可能超過(guò)光速。此時(shí)若反物質(zhì)小球落入黑洞，那么正物質(zhì)小球就有可能掙脫黑洞的束縛而飛出。落入黑洞的反物質(zhì)小球和黑洞內(nèi)其它的正物質(zhì)小球重新結(jié)合而使得黑洞的質(zhì)量減少。那么總的結(jié)果就是：黑洞質(zhì)量減少，同時(shí)放出了一個(gè)正物質(zhì)小球。這就是黑洞輻射的原理。

　　該理論打破了人們印象中黑洞“只進(jìn)不出”的形象，具有劃時(shí)代的意義，也是霍金的史詩(shī)級(jí)成果之一。

　　注釋：關(guān)于超光速的問(wèn)題，狹義相對(duì)論只是論證了“物體無(wú)法通過(guò)加速的方式達(dá)到光速”，但并未限制物體誕生時(shí)的速度可以超過(guò)光速。否則的話，連光本身也不能達(dá)到光速了。

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　　?如圖，成對(duì)出現(xiàn)的粒子中，如果有一個(gè)落入黑洞而另一個(gè)逃離黑洞，逃離的那個(gè)粒子就成為黑洞輻射。

　　更讓人意想不到的是，小小的壁虎竟然也能夠利用卡西米爾效應(yīng)來(lái)爬墻。

　　壁虎的腳上有數(shù)萬(wàn)根剛毛，每一根都極其細(xì)小，小到每根剛毛和墻壁間的距離都只有納米級(jí)。前面我們提到過(guò)，如果兩個(gè)板的間距很小，那么卡西米爾效應(yīng)可以施加非?？捎^的壓力將兩個(gè)板壓在一起。所以，壁虎腳上的數(shù)萬(wàn)組卡西米爾效應(yīng)將它掛在墻上。

　　注釋：通常，壁虎爬墻被解釋為是由于剛毛和墻壁之間的范德華力。范德華力是卡西米爾效應(yīng)的微觀角度描述，是分子尺度的卡西米爾效應(yīng)，二者等價(jià)。

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　　壁虎腳上數(shù)納米大小的帽狀結(jié)構(gòu)，為壁虎提供了足夠的卡西米爾效應(yīng)力。

　　壁虎雖然不懂量子場(chǎng)論，但偉大的自然界卻是無(wú)所不知的。在美麗而又精妙的自然界面前，無(wú)人敢稱全知，無(wú)人敢稱偉大。

　　注釋：為方便理解，本文對(duì)復(fù)雜的概念在不影響正確性的基礎(chǔ)上進(jìn)行了具象或簡(jiǎn)化處理，若需獲得詳細(xì)的解釋，請(qǐng)咨詢專門(mén)人士或后臺(tái)聯(lián)系作者。

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　　參考文獻(xiàn)：

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　　Nikoli？, Hrvoje (10 October 2016). Proof that Casimir force does not originate from vacuum energy. Physics Letters B. 761: 197–202.

　　Spagnolo, S. (2007). Casimir-Polder interatomic potential between two atoms at finite temperature and in the presence of boundary conditions. Physical Review A. 76 (4): 042112.