真空概念的由来与发展

by (首都师范大学物理系 甄长阴 100037)

提到真空，人们通常把它理解为完全空虚的空间，即将容积内没有实物存在的状态称为“真空”。其实这是经典物理学的理解。但是从现代物理理论—量子场论来看，对真空的理解与经典物理截然不同，它认为真空包涵着丰富的物理内容，真空不空。

真空，是物理学中既古老又新颖的一个基本问题。如果我们回顾一下历史，就可看出：某一个时期人们对真空的认识，始终是与当时物理学中基本理论的主要进展密切相关的。每当理论有突破性进展的时候，人们对真空的认识就会发生根本性的改变。

一、古今中外话真空

早在公元前五世纪左右，对什么是真空就开始了探索：古希腊的德谟克利特和古中国的墨翟都认为：所有的物质都是由原子构成的，原子之外就是虚空。换句话说，他们主张的真空就是没有实物质的虚空。约略从此时开始，我国古代更流行元气学说，认为世上万物都由连续形态的元气形成。在古希腊，将青天或上层大气称为“以太”。元气学说和以太学说明显地与虚空学说对立，主张真空不空，真空中充满物质，就是元气或以太。这两类对立观点，一直贯穿到近代物理学。

到了17世纪，法国科学家笛卡儿为了解释行星线日运动，首行提出了开始具有现代内涵的以太说。认为空间充满了以太，能传递力的作用，整个太阳系处于以太阳为中心的以太漩涡中，行星便在漩涡中绕太阳运动。这种以太假说虽然排斥了绝对真空的存在，但是由于它与行星运动规律相矛盾，特别是在牛顿力学建立之后，很快就被否定了。而牛顿力学认为时空可以截然分开，空间被认为是不动的空架子，物体之间的空隙则是绝对真空。然而在19世纪，由于光和电磁波的波动性的发现，为了解释它们在空间的传播，以太论再次兴起，认为宇宙中不论何时、何地、何物之内，都充满以太。到该世纪末，以太进入极盛时期，它充斥于物理学的各种著作之中。不料，以太论的积极拥护者迈克耳孙和莫雷的实验，在以太论所预期的精度内，竟然没有测到地球相对于以太的运动速度，从而否定了以太的存在。

以太论的两次兴衰，其中都包涵着对于真空的探索，由此我们可以体会到对真空概念追求的进程中曲折迂回的历程。20世纪初，伟大的物理学家爱因斯坦，在否定以太的基础上建立了狭义相对论，提出了光(电磁场)本身就是一种物质，并从根本上修改了牛顿力学的时空观，强调了时空与物质运动是不可分割的。然而遗憾的是，在狭义相对论中却保留了真空是没有任何物质的“空的空间”的概念。当然，爱因斯坦不愧为伟大的物理学家，在狭义相对论之后，首先对真空的空间这一传统观念提出疑问的，还是爱因斯坦。在他创立的广义的相对论中，曾提出了真空不过是引力场的一种特殊状态的想法。这就为在量子理论基础上对真空内涵建立正确的认识奠定了基础。

二、真空不空

本世纪30年代，英国物理学家狄拉克建立了相对论量子力学的狄拉克方程，但在该方程中出现了负能量的解—负能解。因为负能态比通常的正能态能量更低，根据量子跃迁理论，则一切能态的粒子和物质都将无休止地向负能态“跃迁”，这样将导致宏观物质全部解体的结论。为了摆脱这种与事实不符的困境，狄拉克提出了电子海假说，认为所有负能态都已被电子全部填满，这就阻止了正能态电子自动地向负能态跃迁。根据这一假设，所谓真空，虽然正能态都是空的，但实际上负能态都是被无数多的负能电子所填满的大海。客观世界发生的一切物理现象都是以这个负能电子海为背景，而这个负能电子所填满的大海并不产生任何可观察到的效果。只有当负能电子吸收了足够的能量跃迁到正能态而成为一个普遍电子时，在大海中才会留下一个可观测的空穴。这个空穴表示少了一个负电荷、负能量的粒子，也就是多了一个正电荷，正能量的粒子—正电子。到了1932年，正电子就被安德逊在宇宙射线中发现了，这是人类对真空认识的第一次飞跃。

狄拉克在建立相对论量子力学时，只是考虑了微观物质的一个特点——微观高速。但大量实验结果表明，当粒子在高能情况下相互作用时，能量的转移可以很大，以致于发生粒子的产生和湮没(消失)，从而使系统的粒子数不再守恒。由此，在狄拉克理论基础上，到本世纪40年代，逐渐建立起了一种新的物理学理论，称为“量子场论”。在量子场论中，引入了“量子场”这一新概念，这种新理论比较完满地概括了微观粒子的波粒二象性和粒子可以产生、湮没的性质。量子场论认为：当空间存在某种粒子的时候，表明那里的量子场处于激发态；而不存在粒子时，就表明量子处于基态。这样，在量子场论中真空就被看成没有任何激发的状态，也就是真空是量子场系统的基态。量子场论对真空的定义，显然与狄拉克的说法是一致的。但又引入了新的内涵，所以这是人类对真空的认识的又一次飞跃。

量子场论对真空的解释，也得到了实验上的证实，这其中最典型的是氢原子能级的兰姆位移和电子的反常磁矩。采用相对论量子力学对氢原子能级进行计算，得到其中22S1/2和22p1/2态的能级完全相等。但如果用量子场论去计算，其中考虑了氢原子中电子与真空间的相互作用，得出22S1/2态能级要比22P1/2态能级略高一点，大约高1057MHz。实验上，由于微波技术的发展，使之有可能达到这个精度。1947年兰姆和李瑟福用射频波谱学方法的确测出了这两个能级间的差别，故称为兰姆位移。自40年代以后，经过实验物理学家和理论物理学家们的共同努力，使得测量值和计算值的符合达到了惊人的程度；同样利用相对论量子力学计算电子的磁矩，给出的结果恰为一个玻尔磁子。而在40年代末，实验上测量的电子磁矩比一个玻尔磁子稍大，即存在反常磁矩。同样，对反常磁矩的解释也是利用量子场论，考虑了电子与真空的相互作用而解决的，因为量子场论从理论得到的结果与实验符合得非常好，二者可以相等到小数点后十位数。这个结果已成为当前物理学中的佳话。这些理论与实验精确符合的结果，是由于采用了量子场论对真空的理解而得到的。因此，“真空是量子场的基态”这种对于真空的新认识，已经成为现代物理学的一个基本观念。

三、进一步探索真空的奥秘

虽然量子场论对真空的理解已成为现代物理学的基本观念之一，但这并不意味着我们对真空的认识已达到了十全十美的地步，恰恰相反，可以说这只是万里长征走完了第一步。关于真空，还有很多奥秘需要去探索。关键集中在真空的物质性上，因为既然真空中有物质，有物质的运动及其相互作用，就必然有很多新问题需要研究。我们将以真空对称性的自发破缺和真空相变为例，以展示对真空奥秘的探索如何革新着人们的思想，观念，并通过这一探索进一步寻找物质结构之谜。

如果真空是象过去认为的虚空，那么真空的对称性就和相互作用的对称性一致。现在，量子场论认为真空不是虚空，而是量子场系统的基态，因此人们可以从量子场之间的相互作用(包括自作用)来决定什么样的态才是能量最低的基态。这样，作为量子场系统基态的对称性问题，已经变成了可以从相互作用出发来研究的问题。从相互作用的角度来说，一个物理系统的能量最低的状态，其对称性和相互作用势能的对称性一致，也可能破坏势能的这种对称性。如果系统能量最低的基态是唯一的，则此真空态便具有和相互作用同样的对称性，这样的真空叫做普通真空或正常真空。如果系统能量最低的基态并不是一个，即实际物理状态的对称性并不反映相互作用的对称性，这种现象叫做真空对称性的自发破缺。对称性破缺的真空是一种新型的真空，它与正常真空相比有很大的不同。这种真空对称性自发破缺理论并非无实际意义的空想。实际上，它在完成弱——电统—理论的过程中起了极重要的作用，而弱电统—理论已为大量实验所证实，当然也是对真空理论的有力支持。真空对称性自发破缺理论不仅对高能物理，还可能在天体物理、固体物理等领域产生深远的影响。

既然不同类型的相互作用可以导致不同类型真空的状态，那么对同一种相互作用，在不同的条件下也可能出现不同类型的真空态。这些不同的真空状态，在物理学上叫做不同的“真空相”。这就同水在不同温度下可以处于冰(固相)、水(液相)、汽(汽相)几种不同的物相类似。而我们知道，在一定温度下，水的几种相可以相互转变。与此类似，在一定条件下，不同的真空相也会彼此转变，这就是真空的相变。此外，在一定条件下，不同的真空相可以共存，于是真空就有了复杂的畴结构。真空相变及其畴结构，当然要影响到粒子的某些性质，从而引起各种新的现象和效应。近些年来物理学家对真空相变和畴结构特别关注，这是因为有可能通过真空这些性质的探讨，能帮助揭开强子结构的一个难题—“夸克禁闭”。虽然目前还远非定论，但是已表明有关真空相变假说也许反映了客观的真实。

这些方面的假设、设想还很多，我们不再一一列举。

四、结束语

综上所述，古往今来，人们一直对真空进行着不懈的探索，走过了迂回、曲折的漫长道路。目前，基于量子场论的“真空是量子场系统的基态”的观念，已成为现代物理为实验证实了的一个深刻的基本观念。然而，真空是一个十分复杂、内容丰富的概念，其奥秘无穷。对于真空奥秘的探索又为粒子物理的研究提供了新概念、新图象和新方法，从而为粒子物理及其它领域的发展开辟了崭新的思路。

总之，探索真空的奥秘，已经有了良好的开端，但其涉及的领域仍大有可为。相信，它对物理学的发展将产生巨大的作用。

(首都师范大学物理系 甄长阴 100037)