技术:真正的真空，也许没你想象的那么空

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也是当时量子力学的基本运动方程式薛定谔方程，在洛伦兹变换中对足球协会的变性不满，即非相对论方程式。

1927年，狄拉克利用四个分量的波函数描绘电子，提出了满足相对论共变性的量子力学方程——狄拉克方程。 这个方程式可以说是调和量子力学和相对论的第一次成功尝试，而且这个方程式可以自然地导出电子自旋的结果，作为现代理论物理学的一大成果而闻名。

但是狄拉克方程式也非常感兴趣，预言了令人困惑的结果:狄拉克方程式的解不仅存在正能量的电子，也存在负能量的电子。 如何理解这些负能量的电子？ 狄拉克再次利用了“真空不空”的概念。 狄拉克如图1所示，在真空中是所有的负能量状态，根据泡利的不相容原理，认为各自的负能量状态被一个电子占据。 真空可以看作是所有负能量状态的电子形成的海，带正能量的电子在这个海面上运动。

这样的真空是电子海的图像可以说是惊人的。 高能γ射线入射到电子海里时，海里的电子被海面激发，电子海里也残留空穴(相当于带正电荷的电子在真空中运动)。 。 安德森( c )。 anderson )在宇宙射线照射的云室中，发现了与电子质量相等但带正电荷的电子即正电子，非常有利地支持了狄拉克的理论预言。 因此，狄拉克和安德森以这项开创性的工作获得了1933年度和1936年度的诺贝尔物理学奖。

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也是如图2(b )所示的更高级的过程。 电子发射的虚拟光子可以成为一对虚拟正负电子，然后该虚拟正负电子再次消失成为虚拟光子。 这个虚拟工艺(即图2(b )的圆)被称为真空极化。

在量子力学的世界中，电子看起来在真空中运动，实质上真空中存在很多虚光子、正负电子对。 从形象上来说，电子此时是“穿了衣服”( dressed electron )，但这件衣服是真空摆动引起的。

真空摆动引起电子自能的微小变化，通常这种效应引起的电子能的变化只是mhz级(微波带)。 美国物理学家拉姆( w )。 lamb )利用微波技术测定氢原子中电子最低的两个激发能级2s1/2、2p1/2，发现确实真空振荡会引起电子能级的微小变化，称为兰姆位移。

真空摆动也阻断电子自旋。 美国物理学家库什( p )。 kusch )用磁共振技术测量电子磁矩时，发现真空波动会引起电子磁矩的偏向单纯的玻尔磁子、ae=(g-2)/2，称为异常磁矩。

比较起来，在量子力学的计算中，拉姆位移的理论值为1057.864 mhz，实验测量值为1057.862 mhz。 电子异常磁矩的理论值为ae=1159651.7 × 10-9，而实验测量值为ae=1159656.7×10-9。 理论和实验以惊人的精度一致。 量子力学可以说是现在物理学中最成功的理论之一。 费曼等3人获得了1965年度诺贝尔物理学奖，拉姆和库什也获得了1955年度诺贝尔物理学奖。

我发现真空的概念在这里再次丰富了。 从图像上看，这里的真空是虚光子和正负电子对的海。

量子力学中的真空(2):casimir效应

量子力学是粒子和电磁场相互作用的量子理论，根据真空摆动预言的电子能级转移和电子异常磁矩以极高的精度被证实。 但是，这些效果是真空丰富的物理拷贝的间接反映，有关于真空的直接观测的效果吗？ 这是一个令人扫兴的重要问题。

1948年，荷兰物理学家克什米尔( h )。 casimir )提出，在真空中平行放置的两片中性导体平板之间存在微弱的吸引力，被称为克什米尔效应。 很明显，在经典的电动力学中，两块不带电的中性导体平板之间没有任何力量。 但是在量子力学中，电磁场可以量化成各种能级的共振子。 两片平板之间的真空，即量子力学的基态，实质上是充满大量谐振器的集合。 可以计算出依赖于两平板间距离的真空能，即克什米尔能。 两平板之间的相互作用力可以看作是克什米尔能量对平板间距离变化的导数。

克什米尔效应是真空的量子力学效应，但其信号微弱。 相对于2张1 cm2大小的平行金属板，在仅1 μm以外，真空产生的相互吸引力仅为10-7n，测量这种微小的力是一大实验挑战。

实验物理学家采用高精度扭转、原子力显微镜等手段测量克什米尔力，取得了一系列进展。 一个最新的突破是瑞典研究小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地测量了其中的克什米尔效应。

量子规范场论中的真空:真空对称自发破裂，质量的起源和higgs粒子

自然界有四种基本的相互作用，其中电磁相互作用已经确立了量子理论即量子力学。 在量子力学的巨大成功的鼓舞下，物理学家开始探索如何建立其他相互作用的量子理论。

在量子场论中，每个粒子对应一个场合，粒子是场合的量子，场合可以用包含时空坐标的函数来记述。 场函数满足可以从拉格朗日量导出的运动方程，决定场或粒子的运动规律。 有兴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，由此导出的运动方程式也具有不变性。 因为这种情况或粒子的运动规律在规范变换下是不变的。 电磁相互作用的量子理论满足定域u(1)的规范不变性，弱相互作用的量子理论满足定域su(2)的规范不变性。 20世纪60年代，三位优秀的理论物理学家:格拉肖( s )。 glashow )，温伯格( s.weinberg )，萨拉姆( a )。 salam )利用满足su(2) × u(1)的规范不变性，建立了弱相互作用和电磁相互作用的统一量子理论。

但是，这种看起来非常宏伟的量子理论面临着根本的困难: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，有趣的是“真空不空”的概念再次给人们带来了划时代的进展。

1961年，美国日裔理论物理学家南部阳一郎( y )。 nambu )虽然拉格朗日量具有某种对称性，但是系统的基态和真空状态没有这种对称性，被称为真空对称自发破裂。 如图3(a )所示，是大磁铁，其中有很多小磁铁针。 温度高时，这些小磁铁的针方向是任意的，表示磁铁整体具有空间旋转不变性，即没有特别的方向。 但是，当达到居里温度以下时，这些小磁针在某个方向上排列出现自发磁化。 这是因为整个磁铁缺乏空间旋转不变性。 用理论的语言来说，描绘磁铁的拉格朗日量具有空间旋转的不变性，但由于最低能量的基态和真空状态成为自发磁化的状态，因此系统整体的对称性欠缺。

在此基础上，1964年，英国理论物理学家希格斯( higgs )等人建议，如图3(b )所示，如果复标量场( higs场)与规范场结合，如果真空状态自发对称欠缺，就可以使规范场粒子质量化。 这个标量场中有质量的粒子被称为higs粒子。

真空对称自发破裂的机制在粒子物理学中起着这样的重要作用，因此寻找higgs粒子一直是实验物理学家梦寐以求的目标。 年，欧洲核中心的科学家在大型强子对撞机上发现了higgs粒子，终于在这个问题上画上了完美的句号。 温伯格等人获得了1979年度诺贝尔物理学奖，南部获得了2008年度诺贝尔物理学奖，希格斯等人也获得了年度诺贝尔物理学奖。

质量的起源本来是物理学最根本的问题之一，我惊人地发现真空在这里起着根本的作用。 宇宙中充斥着higgs场，带来了万物的质量。 “无中学生有”可能是这个真空最好的概括。

量子色动力学中的真空:真空集合，夸克禁闭

物理学家在20世纪初发现了由原子核和核外电子组成的原子结构。 原子核由质子和中子构成，质子和中子由夸克和胶子构成，这些基本粒子通过自然界四种相互作用之一的强相互作用而结合。

20世纪70年代，美国理论物理学家比尔切克( f )。 wilczek )、格罗斯( d.gross )、策略( d )。 politzer )等人利用su(3)的规范对称性建立了发挥强相互作用的量子理论——量子色动力学。 这个量子理论预言原子核内部的两个夸克距离很近时，它们就像自由粒子，被称为渐近自由。 这一现象成功地解释了高能区的核物理实验，取得了很大的成功，这三位理论物理学家也获得了2004年度诺贝尔物理学奖。

夸克是带有分数电荷的基本粒子，完全束缚在原子核内部的现象称为夸克禁锢。 如何解释这一现象被认为是20世纪物理学悬而未决的两个重大难题之一。 许多模型和理论试图处理这个问题，但其普遍看法之一被认为是夸克的封闭是由于核中的“真空不空”的特征。

启发性的例子之一是大家熟悉的超导。 超导有电和磁两种自由度，如图4(a )所示，低温下超导体中的电荷成对集成，超导体的基态和真空状态是这些电荷的集成相。 这时，磁场不能穿透超导体，被称为完全反磁性，即迈斯纳效应。

同样，夸克有“色电”和“色磁”两个自由度，如图4(b )所示，在低能量下产生并聚集核中夸克的磁自由度，核的基态和真空状态是这些磁自由度的集合相。 这时，电场不能穿透核，被称为完全的电阻性。 也就是说，电力线被压迫在核内部，电荷不能自由释放，因此夸克完全被束缚在核内部。

再者，水有固体、液体、气体等多种相，可以根据温度变化进行相变。 如图5所示，认为夸克禁闭在比较低的能量下真空处于集聚相，原子核以极高速碰撞时相当于极高的能量，此时真空有可能相变形成夸克胶子等离子体的新相。 观测这一真空相变过程是目前美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机的目标。 目前，量子色动力学中关于真空的研究很盛行，如果实验中能看到真空相变的确定证据，这是真空概念，进而是物理学的重大突破。

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量子新闻视角下的真空(2) :非局域性、量子纠缠

20世纪20年代诞生的量子力学打开了微观世界的大门，常被称为“第一次量子力学革命”。 量子力学有波函数的概率幅度、波粒二象性、薛定谔猫、量子纠缠等有点奇怪的性质。 而且，围绕这些奇怪的特征的质量，有各种各样的疑问和解释。

1935年，爱因斯坦等人提出了epr(einstein—podolsky—rosen )这一思想实验:有两个自旋1/2的粒子a和b，构成纠缠状态|↑ a|↓ b+ |↓ a|↑ b，放在聚集较远的两个地方。 未测量时，b粒子分别以50%的概率降速↓或向上↑。 但是，在测定a粒子情况下，如果测定结果是a粒子的旋转上升↑，则b粒子以100%的概率旋转下降↓； 测量结果显示，a粒子的自旋向下时，b粒子以100%的概率自旋向上。 量子力学看起来有“幽灵般的超距离作用”，但b粒子的状态似乎是由a粒子的测定控制的(看这里没有新闻的传播)。

实质上，处于这种量子纠缠状态的粒子即使在空间上相距很远也有量子相关，被称为“量子非局域性”。 这种思想实验进一步启发了贝尔( j )。 bell )提出了贝尔不等式，把这些思想实验转移到了实际实验中。 为了每年2次验证11112的1个钻石(电子)，即所谓的没有遗漏的铃。

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一个可能来自所谓的er=epr猜想。 如图7(a )所示，广义相对论预言，存在连接两个不并且空域的通路——er(einstein-rosen )桥，在形象上用虫洞表示。 年，美国学者提出一个黑洞可能通过虫洞与另一个遥远的黑洞处于纠缠状态。 也就是说，虫洞和纠缠状态等价，er=epr。 也就是说，量子纠缠可以看作是连接两个区域的时间结构。

一个可能是我们大胆的推测。 如图7(b )所示，真空不是空的，而是充满了量子以太网。 扩展到这种空间的以太网天然具有非局部性的相关，这种固有的相关是量子非局部性、量子纠缠的起源。 有人指出爱因斯坦和grommer试图从广义相对论的真空场方程中推断出量子力学的不明确关系。 我们构建了量子以太网的模型，认为也许可以从那里导出量子纠缠的关系式。

新机会:什么是真空？

回顾真空概念的迅速发展和现代物理学的伟大成就是非常启发的。 20世纪初，开尔文爵士认为光辉的物理学有两个乌云:黑体辐射和迈克尔孙莫雷实验。 特别是后者和古典物理学中以太网图像的尖锐冲突，代表了人们对真空认知的飞跃，也是现代物理学诞生的源泉之一。

到了21世纪初，著名理论物理学家李政道认为现在的物理学也有两个大问题。 一个是失去的对称性，例如电荷和宇称反转不变性的破坏( cp破坏)。 一个是看不见的夸克(夸克禁闭)。 李政道认为这两个问题与真空的特征有关。 如上所述，真空的对称自发破裂会引起对称性的破坏，真空是理想的电阻性介质，夸克的封闭也可以说明。 李政道认为发掘真空的性质有非常深刻的认识，会给物理学带来革命性的突破。

此外，关于20世纪初微观世界的探索，我们认为这是首次发生量子力学革命。 量子力学是物理学最成功的理论，产生了丰富的成果。 但是，关于其本质奥义从生日开始就一直争论不休。

到了21世纪初，量子力学诞生了，物理学家不仅可以问量子力学“要做什么”，还可以问“为什么”。 量子新闻不仅提供了许多量子控制的做法和手段，而且深入探索量子纠缠、量子非定位等量子力学的奇妙本质。 国际知名学术期刊《自然—物理》于年发表了量子力学基本问题的研究专辑，确认了第二次量子力学革命的号角响起了！ 如我们本文所述，关于量子真空的研究可能会为解开量子世界本质之谜提供新的机会！