出品：科普我国
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监制：我国科学院核算机网络信息中心
上星期，12月11日，《天然》杂志报导了一项足以撕掉全国际物理讲义的研讨：声响能够在真空里传达！
咱们初中的物理讲义说：声响的传达是需求介质的，所以真空中是无法传达声响的。
到高中之后，咱们的物理书又进一步解说道：声响的实质是物质分子的振荡所引起的一种波，因为真空是空的，当然也就没有物质分子的振荡，所以振荡的声波就传不过去。
试验事实是不会错的，那么咱们的教科书错了吗？
其实在上面这段话里，咱们“理所应当”地以为真空是全空的。可是，在量子国际里，没有一点工作是理所应当的。
那么，真空里到底有什么？这和声响在真空中传达有什么关系？
别急，咱们立刻就来说一说关于“真空不空”的故事。在这个故事里，咱们将会看到，真空里的东西不但能传达声响，仍是让壁虎能够趴在墙上的原因，更是大名鼎鼎的霍金辐射（也称黑洞辐射）的源头。
1.绷簧与小球：量子场论的缘起
约100年前，人们现已知道，原子中的电子假如吸收能量，那么自己的能量就会升高；假如想跳回本来的状况，必需求经过开释一份电磁波的方法来开释能量，这份波被爱因斯坦称为光子。
这个现象就好比人假如吃了葡萄皮，那么他能够吐出一个葡萄皮，比较平铺直叙。
但人们还发现，有时电子不必吸收能量，也会自动开释光子，这一现象叫做自发发射。这就相似一个人没有吃葡萄皮，可是也能吐葡萄皮，这个现象就比较怪异。
1927年，物理学的一代宗师狄拉克给出了一个解说。他以为：真空中尽管看起来没有葡萄也没有葡萄皮，但这仅仅表面现象。真空中存在着许多的“葡萄-葡萄皮”组成的对子，它们发作得很快，消失得也很快，差不多一起发作，使得真空体现得像是没有葡萄相同。
现在想象一个“葡萄-葡萄皮”对子呈现在你嘴边，此刻刚好葡萄掉进了你的嘴里，所以你吸收了一个葡萄，而真空中就剩余了一个葡萄皮。所以看起来就好像你尽管没吃任何东西却吐了一个葡萄皮相同，只不过这个葡萄是真空投喂给你的，咱们只调查到了剩余的皮罢了。
玻尔曾说：“在一切的物理学家中，狄拉克具有最纯真的魂灵。”狄拉克坚持以为物理方程应该具有完美的数学方法，并以此信条来辅导自己的研讨。关于“丑恶”数学的回绝使他后来的研讨逐步偏离了干流。图为1930年前后的狄拉克。（图片来自：维基百科）
这一假说因为完美解说了自发发射而取得了成功。经过一系列修正和重塑（尤以杨振宁教授的大师之作——杨-米尔斯理论最为重要）之后，这套理论发展为后来的量子场论。
其首要观念也很简单：首要，关于任何物质（或能量）来说，都有一个与之对应的“场”，例如光子对应电磁场，电子对应电子场。场能够看作是由许多被绷簧连着的小球组成的，每个场都充满着整个空间。
注释：怎么了解此处的“任何”二字呢？这儿的任何是能够在字面含义上来了解的。例如，目标对应着目标场，头发对应着头发场。依照量子场论，真空中电磁场涨落能够发作光子，电子场涨落能够发明电子，目标场的涨落是能够创生出目标的，而头发场的涨落是能够发明头发的。先别快乐得太早——物质越大，发作的概率就越小。连电子发作的概率都现已无限接近于零了，就不要梦想取得头发和目标了。
图片来自于新浪微博
然后，因为绷簧的存在，所以每个小球都在不断振荡，科学家称之为“涨落”。假如这个振荡太剧烈使得绷簧被拉断，那么就会得到自在的小球。例如，电子场的涨落能够发作一个电子。
水波的涨落能够偶然发作一个水珠，而这个水珠又快速落回水波里，场的涨落发作粒子的进程与此相似。（图片来自：http://bostonreview.net/books-ideas/matthew-buckley-search-new-physics-cern-part-2）
终究，自在小球从头回到小球阵列中。自在小球不断地从空间中快速发作又消失，然后使得空间中全体而言不存自在的小球，保持一个全体的平衡。
2.卡西米尔效应
每个新理论呈现之后，科学家总是急于寻觅验证它的办法。
1948年，荷兰理论物理学家卡西米尔经过纯理论核算找到了一种验证上述理论的办法，这便是闻名的卡西米尔效应。
想象有一个大的真空空间，其间有两个平行金属板。因为两板之间的空间相关于板外来说比较小，因而假如量子场论是正确的，那么板间的场里含有的小球数应该少于板外空间。那么，板间的小球对板的碰击力应该小于板外小球对板的碰击力，所以板会受到外界的挤压力。
很快，这一理论猜测的现象就被观测到了。在真空中的平行金属板受到了真空施加的挤压力。
也便是说，真空里的确有许多小球！真空不是空的！
因为板间的场涨落发作的粒子少，因而会感触到外面空间发作的压力，这便是卡西米尔效应。（图片来历：https://skepticalinquirer.wordpress.com/2015/08/05/casimir-effectefek）
依据狭义相对论，物质和能量的实质是相同的，真空中有许多小球，就意味着真空中有不为零的能量。科学家能够核算出真空中能量的数值，称之为零点能。
可不要小看零点能哦，尽管平常咱们感触不到它的效果，可是当两个金属板间隔很近的时分（例如10纳米左右），真空零点能能够在金属板上施加约1个大气压的压强。因而在高档核算机芯片或许航天器规划进程中，有必要考虑卡西米尔效应的影响。
3.声响穿过了真空
量子场论以为，一切的物质和能量都能够对应一个真空中的场，那么声响作为一种振荡能量，也能够对应一个振荡能量的场。
让咱们再次考虑两个真空中的平行金属板，它们之间存在上述的振荡能量场。假如在一个板上施加振荡能量，这个能量会和板间的振荡能量场发作交互，然后引起另一片金属板的振荡，这便是声响的卡西米尔效应。也便是说，声响能够终究靠真空传达。在微观层面上，分子振荡也是一种热现象，因而声响能穿过真空而传达，也就从另一方面代表着热量也能够跨过真空而传达。
注释：热量传递的方法有热传导、热对流和热辐射，其间传导和对流是需求介质的，辐射不需求介质，可是能量是以电磁波的方法传达的。本试验中证明的热量跨过真空传达，并非经过辐射方法而传达，是真实含义上的热量不需求介质而传达。
尽管理论上能够猜测该效应，可是因为它非常弱小，所以观测是很困难的。加州大学伯克利分校的Zhang lab在奇妙规划的试验设备的协助下，初次观测到了声响在真空中传达的现象，也即本文最初场所说到的研讨效果。
这再次证明了量子场论的首要观念：“真空不空”和“万物皆场”。
当两个金属板间的间隔小于500纳米时，能够调查到高温物体的温度（T2）减小而低温物体的温度（T1）添加，也便是说热量（振荡能量，也便是声响的能量）跨过了真空而传达。试验排除了对流和辐射的搅扰。（图片来自：参考文献1）
4.黑洞与壁虎
为什么霍金说黑洞会宣布辐射？壁虎又为什么能够挂在墙上？这都跟咱们今日讲的量子场论和卡西米尔效应有关。
霍金使用真空不空的原理预言了黑洞辐射的存在。
他的首要观念为：黑洞是一种光速都无法逃离其引力的天体。咱们考虑黑洞边际的空间，因为场的涨落，有或许发作一对正反物质小球。因为量子力学的测禁绝原理，这对小球的速度有或许超越光速。此刻若反物质小球落入黑洞，那么正物质小球就有或许挣脱黑洞的捆绑而飞出。落入黑洞的反物质小球和黑洞内其它的正物质小球从头结合而使得黑洞的质量削减。那么总的效果便是：黑洞质量削减，一起放出了一个正物质小球。这便是黑洞辐射的原理。
该理论打破了人们印象中黑洞“只进不出”的形象，具有划时代的含义，也是霍金的史诗级效果之一。
注释：关于超光速的问题，狭义相对论仅仅证明了“物体无法经过加快的方法到达光速”，但并未约束物体诞生时的速度能够超越光速。不然的话，连光自身也不能到达光速了。
如图，成对呈现的粒子中，假如有一个落入黑洞而另一个逃离黑洞，逃离的那个粒子就成为黑洞辐射。(图片来自：https:///pin/238761217724719845/?lp=true)
壁虎尽管不明白量子场论，但巨大的天然界却是一窍不通的。在美丽而又精妙的天然界面前，无人敢称全知，无人敢称巨大。
注释：为便利了解，本文对杂乱的概念在不影响正确性的基础上进行了具象或简化处理，若需取得具体的解说，请咨询专门人士或后台联络作者。
参考文献：
Fong, K.Y., Li, H., Zhao, R. et al. (2019). Phonon heat transfer across a vacuum through quantum fluctuations. Nature 576, 243–247
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.
