真空不空 什么是真空？從古希臘時代開始就是一個常常爭議的哲學議題。 在日常生活中，人們所說的“不存在任何東西”或“空無一物”是以人的視覺為參考，沒有涉及氣態(tài)物質(zhì)（大氣）。 按照經(jīng)典物理，真空可以被理解是沒有大氣的封閉空間。比如熱水瓶瓶膽的兩層玻璃之間被抽成了真空，由于沒有了大氣便無法進行熱傳導，所以能夠保溫；再比如鎢絲電燈泡中是真空，燈絲因為缺乏氧氣才不致于被很快地燒盡?，F(xiàn)在，真空已經(jīng)成為一種有價值的工業(yè)工具或?qū)嵱眉夹g(shù)。 由于我們?nèi)祟惿钤诒淮髿鈱影鼑牡厍颦h(huán)境中，經(jīng)典物理就是以我們的生存環(huán)境和我們自身對環(huán)境的反應（相當于相互作用）為參考，用大氣密度、氣壓高低來描述真空?，F(xiàn)代物理學突破了大氣層的限制，物理學家們考慮的是宇宙空間是否是真空的問題。 實際上，宇宙中充滿了輻射能量，有各種各樣的宇宙射線，及各種頻率的電磁波以及我們所熟悉的可見光波，所以在量子場論中的真空不空。當QED引入了粒子數(shù)算符以及生成湮滅算符等，真空被定義為“在任何湮滅算符作用下都得到基態(tài)”的一種量子態(tài)——稱為真空態(tài)，它的各種粒子數(shù)都為0。但是，由于量子物理有一個不確定性原理，即使沒有粒子沒有輻射也仍然存在量子漲落，也就是真空態(tài)同樣具有能量——稱為零點能或真空能。 零點能的概念最早出現(xiàn)在普朗克1912年發(fā)表的一篇文章中，原意是指量子系統(tǒng)處于基態(tài)（絕對零度）時所擁有的能量。在量子場論的語義下，零點能與真空能是一致的。 愛因斯坦用普朗克的輻射公式計算氫分子比熱 普朗克1900年解決黑體輻射問題時，從統(tǒng)計力學推導出了黑體輻射公式。后來他在1911-1913年發(fā)表的一系列論文里闡述他的"第二量子理論"。他在重新推導的能量輻射子的平均能量中，給出的零點能量是：(1/2) hn，其中h是普朗克常數(shù)，n是量子諧振子的頻率（見上圖中的公式）。 按照普朗克新的輻射公式，量子系統(tǒng)所擁有的能量不能低于零點能。但普朗克當時并非很在意這個(1/2) hn，恰恰是在研究統(tǒng)計中漲落公式的愛因斯坦引起了注意。愛因斯坦說“零點能可能真的存在！”于是他和他的助手奧托·施特恩一起寫了一篇文章，假設雙原子分子的旋轉(zhuǎn)能含有零點能，并且所有雙原子分子以同樣角速度旋轉(zhuǎn)，然后計算出雙原子分子氣體的比熱。將氫氣的理論比熱與實驗數(shù)據(jù)相互比較（見上圖中的曲線），證明了零點能存在的必要性（據(jù)說后來因為保羅·埃倫費斯特給出更具一般性的計算，他們撤回了那篇論文）。 1927年，海森堡提出不確定性原理——動量和位置不能同時確定，從量子力學基礎(chǔ)理論的角度證明了量子系統(tǒng)不可能沒有零點能。根據(jù)不確定性原理，考慮一個處于諧振子勢阱中的粒子，因為它的位置被限制了，動量便不可能為零，也就是基態(tài)的能量不可能為零。因此，零點能與不對易關(guān)系緊密相連。如果用數(shù)學語言講，零點能就是量子系統(tǒng)因為動量與位置不對易所引起的能量不確定性而產(chǎn)生的非零期望值。 在量子場論中，每個時空點都被看作是量子化的簡諧振子，并與相鄰振子有相互作用，每個諧振子的真空期望值為1/2(hn)（真空模型圖示意的是約化普朗克常數(shù)和角頻率的乘積）。因為諧振子可取的頻率值為無窮多，從而可以導致無限大的零點真空能量。 真空模型 如果用費曼圖來描述真空，則是各種各樣所有可能的（單圈或多圈）圈圖，（真空模型圖展示了圈圖的幾個例子）。這些圈圖表示了真空中無休止的量子漲落：各種粒子在泡沫式的真空海洋中，隨機生成又瞬間湮滅，它們被稱為虛粒子。 量子場論中的虛粒子是為了理解量子系統(tǒng)內(nèi)在的物理過程，在理論上虛構(gòu)或假想的、不可觀測的粒子。它與一個所謂的“在殼離殼”（On shell and off shell）概念相關(guān)：物理系統(tǒng)中滿足經(jīng)典運動方程的位形稱為是在殼的，而其它的則稱為是離殼的。這里的“殼”是指質(zhì)能關(guān)系式E2- p2 = mc2（真空光速c取值1）在能量-動量空間中描述的雙曲面。滿足質(zhì)能關(guān)系式的為“在殼”，否則便是“離殼”。 費曼圖中的在殼和離殼 在費曼圖中，可以簡單地判定是否在殼或離殼。從圖中看，外線（入射、出射）表示的粒子是可觀測的實粒子，屬于在殼；而內(nèi)線（綠色線）表示的是離殼的、不可觀測的虛粒子。 無中生有地引入虛粒子，實際上是為量子場論中繁雜的數(shù)學計算而建立的一種解釋性的直觀概念。固然，不僅僅真空布滿了虛粒子，實粒子之間的許多相互作用過程也少不了它們。比如電子-電子散射問題便是一例：不同于經(jīng)典理論，即使我們以為在腦袋里有清晰圖像的實粒子（電子、光子等），在量子世界中也表現(xiàn)出難以理解的反常行為，何況還是“虛粒子”呢！ 物理學的目的之一是追本朔源：世界萬物是由哪些基本成分組成，這些成分之間又是如何相互作用？幾百年來的探索總是在“粒子”和“場”兩種形態(tài)之間徘徊。量子場論選擇了以場為本，認為世界的本質(zhì)是場，每種基本粒子都有一種場與其相對應，粒子不過是波瀾起伏的場中被激勵而出現(xiàn)的“漣漪”。 引進“虛粒子”的目的就是為了回答“相互作用是如何發(fā)生的”。例如，當兩個電子互相接近時，它們會因為帶有相同負電荷而相互排斥，這種排斥顯然要通過電磁場（光子）來實現(xiàn)，但我們并看不到它們互射（真實的）光子。 那么，量子電動力學如何來描述這個排斥作用發(fā)生的過程呢？ 在QED中，有不可分離的電磁（光子）場和電子場，“場”布滿了整個時空。有了場就避免了經(jīng)典物理中的超距作用。但是，兩個場之間相互作用的計算要比粒子與粒子之間作用的計算復雜得多，它們的直觀圖像也不容易想象。也許可以打個不恰當?shù)谋扔鳎阂诲伆酌字嗯c一鍋黒米粥混在一塊兒，沸騰后不停地冒泡使得“粥”分子之間相互影響，“漣漪”誘發(fā)“漣漪”，再誘發(fā)新的“漣漪”，將初始形態(tài)不斷傳播后構(gòu)成最后的狀態(tài)。
一個虛光子對應一個復雜的積分 兩個電子通過電子場和光子場互相作用而散射，其物理量的具體計算非常困難。費曼是個天才，他能從中識破天機，將整個相互作用按照作用大小分成不同等級的許多項。這些項對應于路徑積分中的多種可能性，即對電子散射有貢獻的項數(shù)有無窮多。但是，最大的貢獻只來自于前幾項。 不過，即使是計算電子-電子散射時的第一項，也對應了一個四維空間中的復雜積分。為了在語義上簡潔，物理學家將這種復雜的數(shù)學計算過程表述為“兩個電子交換了一個虛光子”，既直觀、又符合費曼圖，而且可以使你明白什么是虛粒子。 當然，虛粒子和費曼圖雖然直觀，但并非一定是完全準確的描述，真實的量子世界可能遠不是這么簡單。但人們的頭腦需要直觀的想象，費曼圖提供了一個量子世界的參考圖景，還有助于列出計算公式，為定量分析帶來了方便。 量子場論中的真空被定義為所有的粒子數(shù)都為零，不存在實粒子，但真空存在1/2(hn)的基態(tài)能量。這些基態(tài)能（零點能）被理解是充滿了無窮多的、不停變換的虛粒子。虛粒子的效應（或稱真空漲落）可以通過與實粒子的相互作用被實驗手段探測到。例如，真空漲落將引起電子磁矩偏離簡單的玻爾磁子，ae =(g－2)/2，稱為反常磁矩。 蘭姆位移 蘭姆位移也證實了真空漲落和零點能的存在。蘭姆位移的值約為1000兆赫（MHz），是很小的能量差。在玻爾模型中，氫原子光譜是一個簡并的能級；在狄拉克相對論理論下，氫原子光譜分裂成精細結(jié)構(gòu)。更為精細的蘭姆位移可以用QED理論解釋（量子場論中的相互作用按照作用大小可以分成不同等級的許多項，這意味著蘭姆位移總是存在，比蘭姆實驗探測到的能級差更小的情況也總是存在）。計算表明，氫原子基態(tài)能級是13.6ev，精細結(jié)構(gòu)只有基態(tài)數(shù)量級的十萬分之一，蘭姆位移又只有精細結(jié)構(gòu)的十分之一。 對應于電子自能和真空極化，用費曼圖示意蘭姆位移可以直觀理解是真空中的微小零點振蕩，“抹開”了原子的電子云，庫侖位勢被攝動了，使得兩個能級（2s1/2，2p1/2）的簡并性被破壞。 |
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