Page 219 - 物质的绝对运动——相对论和量子力学的物理起源

空，激发态表现为粒子的产生，因此，所谓“量子真空”就是指各种量子场均处于基态，无
任何粒子产生。当某一量子场被激发时，相应之粒子从真空这个物质背景中跃起；若被激发
的量子场退激，粒子重又回入真空，亦即粒子湮灭。
狄拉克从量子场论的角度对真空进行了生动的描述，他把真空比喻为起伏不定的能量之
海。各量子场之间相互作用，并各有自作用，从而引起虚激发（激发时间极短，瞬即退激），
于是不断出现虚粒子（对）的产生、湮灭和
不同虚粒子的相互转化，这被称为真空涨落。
这种虚激发和真空涨落受海森伯不确定性原
理的限制。根据不确定原理，只要虚粒子的
能量乘上它们存在的时间小于普朗克常数就
不违反能量守恒定律，所以虚粒子只能存在
极短时间。这样的真空非常复杂，其性质颇
似一种物理介质，当然这与以太介质是有本
质区别的。李政道曾用一张想象的真空“快
照”来表示这种量子真空，如图 11-1 所示，
他设想，如果摄像的曝光时间足够短，能够
捕捉住由虚激发形成的真空涨落，寿命非常
图 11-1 量子真空“快照”
短促的虚粒子被摄下踪迹，那么，一张真空
快照绝非一片空白，而是挤满了无数从真空背景中跃出或相互转化所致的、即生即湮的虚粒
子。
我们看到，真空的概念在这里得到了一次飞跃。近代以来，用“以太”描写的“经典真
空”不过是一种物理假设甚或是哲学思辨，而用“量子场”描写的“量子真空”是可以通过
实验来检验的。有不少物理现象可以用量子真空的观念予以说明，例如，氢原子能级的兰姆
移位和电子的反常磁矩，实验上已经以非常高的精度证实了真空极化的效应。高能正负电子
对撞湮没为高能光子，反之高能光子可使真空激发出大量的粒子。这些证据表明，量子真空
蕴含着丰富的物理内容，它比以太真空复杂得多。就如电磁场被狄拉克当成无限多谐振子组
成的系统一般，任何量子场都有一系列振荡模式，在基态时仍振荡不止，被称为真空零点振
荡。这也预示着真空中蕴藏着巨大的本底能量， 它在绝对零度条件下仍然存在， 这个本底
能量被称为真空零点能。真空零点能存在的实验证据是所谓卡西米尔效应（Casimir effect），
它是 1948 年由荷兰物理学家亨得里克·卡西米尔（Hendrik B. G. Casimir）提出来的。从理论
上看，真空零点能以粒子的形态出现，并不断以微小的规模形成和消失。在正常情况下，真
空中充满着几乎各种波长的粒子，但卡西米尔认为，如果使两个不带电的金属薄盘紧紧靠在
一起，较长的波长就会被排除出去，而金属盘外的其他波就会产生一种使它们相互聚拢的力，
金属盘越靠近，两者之间的吸引力就越强，这种力称之为卡西米尔力。最初认为，卡西米尔
效应是不易探测的，因为这种效应只能在极小距离被观察到。然而，随着纳米科技的迅速发
展，此效应可通过特殊设计的纳米尺度装置轻易而又精准地测量到。1996 年，物理学家首
次对卡西米尔效应进行了精确测定，证实了卡西米尔力的存在。于是，真空零点能成为一个
没有争议、且被科学界普遍接受的现象。
在量子规范场论中，为满足规范不变性要求，规范场粒子必须是零质量粒子。为了解决
粒子的质量来源问题，1964 年英国理论物理学家希格斯等人提出，可能存在一个复标量场
即希格斯场，它与规范场耦合，那么当最低能态即真空态发生自发对称破缺时，就可以使规
范场粒子获得质量，这个标量场中有质量的粒子就是希格斯粒子。所以，真空中充满着希格
斯场和希格斯粒子，它们给予了粒子以质量，而真空在质量的起源问题上起到了根本性的作
用。

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