第2次量子力学革新的号角现已吹响！关于量子真空的研讨，或许将为咱们揭开量子世界的实质疑团供给簇新的机会！
撰文 | 涂涛 郭光灿(中国科学技能大学物理学院)
谈起真空这个概念，从中文字面上的意思好像是空空如也。可是在物理学中，这个看似空无一物的概念却有着十分丰厚的内容。下面咱们将追溯在物理学中，特别是在量子力学根底上树立起来的现代物理学中，怎么对真空这个概念给予十分风趣、也十分重要的理论思考和试验探究。不难发现，真空这个概念，是与空间、物质、能量等物理学最底子概念紧密联络在一同的，关于它的研讨往往是物理学中最为深化、也最为令人困惑的底子性问题。或许“真空不空”是对它最好的诠释。
1 经典物理框架下的真空：以太
19世纪中叶，麦克斯韦树立了电磁学的理论：经典电动力学，进一步指出光便是一种电磁波，电磁波在空间中以光速传达。那么电磁波是怎么在空间传达的呢？其时物理学家关于动摇的图画首要来自于声波和水波，例如空气的紧缩能够构成声波，水的振荡能够构成水波。因而，直观地来看，动摇是需求依靠于某种前言的。已然电磁波能够在整个空间传达，物理学家很天然地以为，整个世界空间都弥漫着一种特别的前言，叫做“以太”，电磁波便是以太的振荡而构成的。这能够当作是其时物理学界关于真空这个概念比较盛行的观点，即真空中充溢着以太。
19世纪末，闻名的迈克耳孙—莫雷试验，使用光的干与效应关于这种以太进行了一次试验丈量。假如这种以太存在的话，依据牛顿力学的速度叠加原理，在地球上朝着不同方向传达的光的速度有细小的差异，那么两条光路的干与效应能够表现出这一差异。其时迈克耳孙—莫雷试验现已达到了十分高的丈量精度，可是这个试验却没有观察到预期的光速的差异。这个闻名的试验也被开尔文爵士称为“在物理学明亮天空的远处，还有两朵令人不安的乌云”之一，成为困惑物理学界的严重问题。
1905年，爱因斯坦提出了狭义相对论，其间有两条底子原理：相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦指出，只需抛弃牛顿力学中肯定空间和肯定时刻的概念，迈克耳孙—莫雷试验的困惑就能够得到处理，彻底不需求引进以太。电磁场自身便是一种物质，电磁波是这种物质的运动方式之一，不需求依靠像“以太”这种前言就能够在空间中传达。
爱因斯坦的相对论给予经典的以太概念以丧命的一击，至此经典的以太论被人们所摒弃。风趣的是，爱因斯坦在晚年时期，为了一同场论，对以太的概念情有独钟，曾亲热地称之为“咱们的以太”。可见，虽然经典的以太概念不正确，可是新的以太概念必将在物理学底子问题中占有至关重要的位置。
2 相对论量子力学中的真空：狄拉克的电子海
20世纪有两大物理学的革新：相对论和量子力学。从研讨开尔文勋爵所说的两朵乌云的另一朵——黑体辐射开端，普朗克、玻尔、海森伯、薛定谔、玻恩、泡利等许多闻名物理学家树立起微观世界的理论：量子力学。其时量子力学的底子运动方程——薛定谔方程，在洛伦兹变换下不满意协变性，即它是一种非相对论性的方程。
1927年，狄拉克使用4个重量的波函数来描绘电子，提出了满意相对论协变性的量子力学方程——狄拉克方程。这个方程能够说是把量子力学与相对论和谐在一同的第一次成功测验，并且这个方程还能够天然地导出电子自旋的效果，被人们公以为现代理论物理学的一个巨大效果。
可是，狄拉克方程也预言了一个十分风趣、也令人困惑的效果：狄拉克方程的解，不光有正能量的电子，还存在负能量的电子。怎么了解这些负能量的电子呢？狄拉克又一次地使用“真空不空”的概念。如图1 所示，狄拉克以为，真空中是一切负能量的状况，依据泡利不相容原理，每个负能量的状况都有一个电子占有着。真空能够当作填满了一切负能量状况的电子构成的大海，而带有正能量的电子则在这个海面上运动。
图1 真空是负能量的电子海
这样一个真空是电子海的图画能够说是令人适当惊讶的。假如一个高能量的γ射线入射到电子海中，这时海中将有一个电子被激起到海面上，而电子海中也会留下一个空穴 (适当于一个带正电荷的电子在真空中运动) 。安德森 (C. Anderson) 在世界线照耀的云室中，发现了一个与电子质量持平、却带有正电荷的电子——正电子，十分有利地支撑了狄拉克的理论预言。因而，狄拉克和安德森因为这一开创性的作业，别离取得1933年度和1936年度的诺贝尔物理学奖。
咱们看到，真空的概念在这儿得到了一次腾跃。形象地说，某种以太的概念又回来了，不过是以电子海的方式。
3 量子电动力学中的真空(一)：真空涨落、兰姆位移和电子失常磁矩
电磁场是人们最为了解的场，薛定谔方程和狄拉克方程也评论了微观粒子和电磁场的彼此效果，不过其间，电子是量子化的，而电磁场是经典的。很显然，一个完好的关于电子与电磁场彼此效果的理论，应该是全量子化的。
20世纪中叶，施温格 (J. Schwinger) 、费曼 (R. Feynman) 和朝永振一郎 (S. Tomonaga) 别离树立了电子与电磁场彼此效果的量子理论——量子电动力学。量子电动力学是一种量子场论，电子场的激起和激起消失，对应于电子的发作和湮灭，而电磁场的激起和激起消失，对应于光子的发作和湮灭。如图2(a)，电子之间的彼此磕碰能够用形象的费曼图表明：电子发射出一个虚光子，然后被另一个电子所吸收，这样两个电子经过交流虚光子发作彼此效果。此刻初态和末态，都是能够被直接观测到的实在粒子，而一切中心进程的粒子，存在的时刻很短，被称为虚粒子。
图2 (a)简略的费曼图；(b)量子电动力学中的真空极化
十分风趣的是，“真空不空”的概念在这儿再次扮演了一个重要人物。如图2(b)所示，这是一个更高阶的进程。电子发射出的虚光子能够变成一对虚的正负电子，然后这对虚的正负电子又湮灭从头变成一个虚光子，这个虚进程 (即图2(b)中的圆圈) 被称为真空极化。
可见，在量子电动力学的世界中，看似电子处在真空中运动，实质上真空中存在着许多的虚的光子、正负电子对。形象地说，电子此刻“穿了衣服” (dressed electron) ，而这件衣服便是真空涨落构成的。
真空涨落还将屏蔽电子自旋。美国物理学家库什 (P. Kusch) 使用磁共振技能，丈量了电子磁矩，发现真空涨落将引起电子磁矩违背简略的玻尔磁子，ae =(g－2)/2，称为失常磁矩。
能够来比较一下，经过量子电动力学的核算，兰姆位移的理论值是1057.864 MHz，而试验丈量值为1057.862 MHz；电子失常磁矩的理论值是ae=1159651.7 × 10^-9， 而试验丈量值为ae=1159656.7×10^-9。理论和试验能够在惊人的精度上相一同。量子电动力学能够说是现在物理学中最为成功的理论之一，费曼等3人因而荣获1965年度诺贝尔物理学奖，而兰姆和库什也取得了1955年度诺贝尔物理学奖。
咱们看到，真空的概念在这儿再一次得到了丰厚。形象地说，这儿的真空是虚的光子和正负电子对的海洋。
4 量子电动力学中的真空(二)：Casimir效应
量子电动力学是粒子与电磁场彼此效果的量子理论，根据真空涨落所预言的电子能级移动和电子失常磁矩现已在极高的精度上得到了证明。不过这些效应总的来说是真空丰厚的物理内容的一种直接反映，能否有一个关于真空的直接可观测的效应呢？这是一个饶风兴趣的重要问题。
1948年，荷兰物理学家卡西米尔 (H. Casimir) 提出：在真空中两块平行放置的中性导体平板之间，存在弱小的吸引力，称为卡西米尔效应。很显然，在经典电动力学中，两块不带电的中性导体平板之间是没有任何效果力的。可是在量子电动力学中，电磁场能够量子化为各种能级的谐振子。两块平板之间的真空，也便是量子电动力学的基态，实质上是充溢许多谐振子的调集。能够核算得到依靠于两平板之间间隔的真空能量，即卡西米尔能量。而两平板之间的彼此效果力，能够当作是卡西米尔能量关于平板之间间隔改变的导数。
卡西米尔效应是一种真空的量子力学效应，不过它的信号是很弱小的。关于两块1 cm^2巨细的平行金属板，相距仅1μm时，真空发作的彼此吸引力仅为10m^-7N，丈量如此细小的力是一个巨大的试验应战。
试验物理学家选用高精度扭摆、原子力显微镜等手法来丈量卡西米尔力，取得了一系列的开展。一个最新的打破是在2011年，瑞典的研讨组将超导微波腔的两个镜面作为两个平板，使用微波光子的丈量技能，精细丈量了其间的卡西米尔效应。
5 量子规范场论中的真空：真空对称自发破缺、质量的来源和Higgs 粒子
天然界中有四种底子的彼此效果，其间电磁彼此效果现已树立起它的量子理论——量子电动力学。在量子电动力学巨大成功的鼓动之下，物理学家开端探究怎么树立起其他彼此效果的量子理论。
在量子场论中，每一种粒子对应于一种场，粒子是场的量子，场能够用含时空坐标的函数来描绘。场函数满意一个运动方程，这个运动方程能够从拉格朗日量推导出来，它决议了场或粒子的运动规则。风趣的是，量子规范场论具有某种特别的对称性。例如，在规范变换下，拉格朗日量具有不变性，由它导出的运动方程也具有不变性，因而场或粒子的运动规则在规范变换下坚持不变。电磁彼此效果的量子理论满意定域U(1) 的规范不变性，而弱彼此效果的量子理论满意定域SU(2) 的规范不变性。1960年代，3位出色的理论物理学家：格拉肖 (S. Glashow) 、温伯格 (S. Weinberg) 和萨拉姆 (A. Salam) 使用满意SU(2) × U(1)的规范不变性树立起弱彼此效果和电磁彼此效果的一同的量子理论。
可是，这样一个看上去十分雄伟的量子理论却遇到了底子性的困难：规范不变性要求这些粒子没有质量。这个对立困扰了物理学家好久，很有意思的是，“真空不空”的概念再次让人们取得了打破性的开展。
1961年，美籍日裔理论物理学家南部阳一郎 (Y. Nambu) 提出：拉格朗日量具有某种对称性，可是体系的基态或真空态不具有这种对称性，称为真空对称自发破缺。如图3(a)所示，一个大的磁体，其间有许多个小磁针。当温度很高时，这些小磁针的取向是恣意的，整个磁体有着空间旋转不变性，即表现为没有任何特别的方向性。可是当温度降低到居里温度以下，这些小磁针会沿着某个方向摆放，呈现了自发磁化，因而整个磁体的空间旋转不变性遭到了破缺。假如用理论的言语来归纳，描绘磁体的拉格朗日量具有空间转动的不变性，可是因为最低能量的基态或真空态变成了自发磁化的状况，所以整个体系的对称性破缺了。
图3 (a)磁体中基态或真空态发作自发磁化，对称性破缺；(b)(上图)Higgs 标量场的势阱，最低能态或真空态发作对称自发破缺。(下图)能够打个比如：铅笔的运动具有旋转对称性，可是其最低能态，即躺在桌面上，旋转对称性破缺
在此根底上，1964年，英国理论物理学家希格斯 (Higgs) 等人提出，如图3(b)所示，假如存在一个复标量场 (Higgs 场) 与规范场耦合，那么当真空态发作自发对称破缺时，就能够使规范场粒子取得质量，这个标量场中有质量的粒子被称为Higgs 粒子。
因为真空对称自发破缺的机制关于粒子物理学起着如此重要的效果，寻觅Higgs 粒子就成为试验物理学家一向朝思暮想的方针。2012年，欧洲核子中心的科学家宣告，在其大型强子对撞机上发现了Higgs 粒子，总算为这一问题画上了完美的句号。温伯格等人荣获1979年度诺贝尔物理学奖，南部取得了2008年度诺贝尔物理学奖，而希格斯等人也取得了2013年度诺贝尔物理学奖。
质量的来源本来是物理学最底子的问题之一，咱们惊讶地发现，真空在这儿起到了底子性的效果。正是世界中充溢着Higgs 场，带来了万物的质量，或许“惹是生非”是关于这个真空最好的归纳。
6 量子色动力学中的真空：真空凝集、夸克禁锢
物理学家在20世纪初发现了原子的结构：由原子核和核外电子构成。进一步又发现原子核由质子和中子构成，质子和中子又是由夸克和胶子构成，这些底子粒子经过天然界的四种彼此效果之一——强彼此效果结合在一同。
1970年代，美国理论物理学家维尔切克 (F. Wilczek) 、格罗斯 (D.Gross) 、波利策 (D. Politzer) 等人使用SU(3)的规范对称性树立起强彼此效果的量子理论——量子色动力学。这一量子理论预言了当原子核内部的两个夸克间隔很近时，它们就像是自在粒子，称为渐近自在。这一现象成功地解说了高能区的核物理试验，取得了巨大的成功，也使这3位理论物理学家荣获2004年度诺贝尔物理学奖。
夸克是带有分数电荷的底子粒子，被彻底捆绑在原子核内部，这一现象被称为夸克禁锢。怎么解说这一现象被以为是20世纪物理学悬而未决的两个严重疑难问题之一。有许多模型或理论测验来处理这一问题，其间一个遍及的观点是夸克禁锢是因为核子中“真空不空”的特性构成的。
一个有启示性的比如是咱们比较了解的超导。超导中有电和磁两个自在度，如图4(a)所示，在低温下，超导体中电荷发作配对并凝集，超导体的基态或真空态是这些电荷的凝集相。此刻，磁场不能穿透超导体，称为彻底抗磁性，即迈斯纳效应。
图4 (a)超导中基态或真空态发作凝集，有彻底抗磁性；(b)核子中基态或真空态发作凝集，有彻底抗电性，即夸克禁锢
类似地，夸克有“色电”和“色磁”两个自在度，如图4(b)所示，在低能下，核子中的夸克的磁自在度发作并凝集，核子的基态或真空态是这些磁自在度的凝集相。此刻，电场不能穿透核子，称为彻底抗电性，即电力线都被挤压在核子内部，不允许电荷自在地释放出来，所以夸克被彻底捆绑在核子的内部。
进一步，正如水有固体、液体、气体等多个相，经过温度改变能够发作相变。如图5所示，能够幻想，夸克禁锢是因为较低能量下，真空处在凝集相，当原子核以极高速对撞，适当于处在极高能，这时真空或许发作相变，构成夸克—胶子等离子体的新的相。观测到这种真空相变进程，正是现在美国布鲁克海文国家试验室的相对论重离子对撞机的方针。现在，关于量子色动力学中真空的研讨正如火如荼地展开着，假如能够在试验中看到真空相变的清晰依据，这将是真空概念，甚至物理学的一个严重打破。
图5 跟着温度升高，从夸克禁锢的真空态，发作真空相变，到夸克—胶子等离子体
7 量子信息视角下的真空(一)：量子以太与万物来源
20世纪物理学最巨大的物理学效果莫过于量子力学的树立。量子力学不只为原子物理、粒子物理、凝集态物理等现代物理学分支奠定坚实根底，并且促进了核能、激光、半导体等高技能的诞生与开展。从20世纪末鼓起的量子信息学的范畴，是量子力学与信息科学的穿插发作的新式学科，其间量子核算、量子通讯、量子精细丈量等将为未来信息社会带来簇新的推进。
量子信息的底子单元是量子比特，有|0> 和|1> 两个底子状况，量子比特能够处在这两个态的恣意叠加态。正是这一叠加特性赋予了量子比特的天然并行性，有或许在量子信息处理中带来强壮的资源。那么量子信息的特性有没有或许对根底物理的问题带来启示呢？
物理学一个最根底的问题，是怎么一同各种底子粒子和四种底子彼此效果，简而言之便是搞清楚万物的来源这一底子性问题。现在粒子物理学界树立起来的所谓规范模型，包含弱电一同的量子理论和量子色动力学，底子上涵盖了除引力外的别的三种彼此效果。可是怎么把引力一同进来，仍是一个未处理的严重问题。
华人物理学家文小刚在这一方向上做了有利的探究。他以为：假如把空间当作是量子比特构成的大海，那么底子粒子能够当作是这个大海中的动摇和涡旋。这些大海中各种序，即许多量子比特的各种调集和结构，将决议各种底子粒子的性质和各种底子彼此效果的规则。
假如把这些量子比特类比于一个个水分子，那么量子比特的长程羁绊就像是水分子组成一条条弦，这些弦填充在整个空间中，称为弦网液体。整个量子比特构成的大海就能够当作是这些弦网液体的海洋。如图6所示，在大海中有一种动摇，弦密度波，它所满意的运动方程便是麦克斯韦方程，便是电磁波。弦的结尾，满意费米计算和电荷量子化，便是电子。这样电子、光子等底子粒子，电磁彼此效果都从中发作了，能够得到光和电的一同的来源！
图6 (a)一种量子以太：弦网液体；(b)弦密度波便是电磁场或光子的来源
文小刚以为，真空是量子比特的海洋，这是一种新方式“以太”论——量子以太。这个量子以太能够涌现出各种底子粒子、各种底子彼此效果，给出万物的来源！当然这种量子以太学说仅仅几种测验性的大一同理论之一，并且现在也没有任何直接的试验预言和依据。可是这种量子以太的簇新视角，无疑是关于真空丰厚的物理内容又抹上颜色绚烂的一笔。咱们看到，“以太”的概念又一次回到了物理学的底子问题中。正因为物理学的底子性问题总是离不开真空，所以虽然经典以太的概念被摒弃，量子以太的概念总会以某种方式扮演自己不可或缺的人物。
8 量子信息视角下的真空(二)：非局域性、量子羁绊
20世纪20年代诞生的量子力学，给人们打开了微观世界的大门，往往被称为“第一次量子力学革新”。量子力学有着一些独特的性质，例如波函数的几率幅、波粒二象性、薛定谔猫、量子羁绊等等。而围绕着这些独特性质，有着各种疑问和解说。
1935年，爱因斯坦等提出所谓EPR (Einstein—Podolsky—Rosen) 的思维试验：想象有两个自旋1/2 的粒子A 和B，构成羁绊态|>A|>B+ |>A|>B，并放在团聚悠远的两个当地。在未丈量时，B粒子各有50%的几率自旋向下或向上。可是当A粒子被丈量时，假如丈量效果为A粒子自旋向上，那么B粒子将以100%的几率处在自旋向下；假如丈量效果为A粒子自旋向下，那么B粒子将以100%的几率处在自旋向上。看起来，量子力学中存在着“鬼魂般的超距效果”，B粒子的状况好像被A粒子的丈量所控制 (留意这儿并不存在所谓信息的传递) 。
实质上，这种处在量子羁绊态的粒子，即便空间上分隔悠远，但存在量子相关，称为“量子非局域性”。这样一个思维试验进一步启示了贝尔 (J. Bell) 提出贝尔不等式，将这些思维性的试验付诸于实在的试验。从1970年代开端起，物理学家在各种量子体系上，选用各种试验手法进行试验研讨，其间法国学者阿斯派克特 (A. Aspect) 使用光子对的试验备受重视。而在2015年，荷兰研讨组使用两块团聚1.5 km的金刚石色心中电子自旋，完成了所谓无缝隙的贝尔不等式的验证。
这场爱因斯坦和玻尔之间的学术争论，提醒了量子世界更为深化和根底的性质：量子非局域性。能够料想，就像当年关于黑体辐射的深化研讨，导致了量子力学的第一次革新，关于这些量子世界的独特性质的更深化的探究，将导致量子力学的第2次革新！
第一次量子革新，物理学家首要是问“做什么”，即量子力学应用到各个范畴，现已取得了十分丰盛的效果。而第2次量子革新，物理学家更多是问“为什么”，即量子力学的独特性质究竟为什么是这样。例如，经过薛定谔猫问题的研讨，探究量子世界与经典世界的边界问题。除了正统的波包塌缩解说，以及退相干进程解说等，还有没有令人满意的量子丈量的理论？量子力学和非局域隐变量理论，究竟哪一个才是微观世界的底子理论？
特别是关于量子力学最为独特的特点之一：量子非局域性，它的本源是什么？咱们以为：真空概念的开展有或许为这一问题的答复供给或许的关键。
一种或许是来自所谓ER=EPR 猜想。如图7(a)所示，广义相对论预言，存在一个衔接两个不同时空区域的通道——ER (Einstein-Rosen) 桥，形象地用虫洞来表明。2013年，美国学者提出：一个黑洞有或许经过虫洞与另一个相距悠远的黑洞处于羁绊态，即虫洞和羁绊态是等价的，ER=EPR。也便是说，量子羁绊能够看作是联络两个区域的时刻结构。
图7 (a)ER=EPR 示意图：长途的虫洞衔接和羁绊相关是等价的；(b)咱们的一个猜想：真空布景(绿色)中充溢了许多的相关(蓝线)，正是这种“以太”构成两个团聚悠远的粒子发作羁绊
一种或许是咱们的斗胆猜想：如图7(b)所示，真空不空，充溢着量子以太。这种遍及空间的以太，天然地具有非局域的相关，这种内禀的相关正是量子非局域性、量子羁绊的来源。值得咱们指出的是，爱因斯坦和Grommer 就曾测验从广义相对论的真空场方程中推到量子力学的不确定联络。咱们想象，或许能够结构一个量子以太的模型，从中推导出量子羁绊的联络式。
9 新的机会：真空究竟是什么？
回忆一下真空概念的开展和现代物理学的巨大成便是十分有启示含义的。20世纪初，开尔文勋爵以为光辉的物理学有着两朵乌云：一个黑体辐射，一个迈克尔孙—莫雷试验。特别是后者与经典物理学中以太图画的尖利抵触，代表了人们关于真空知道的一次腾跃，也成为现代物理学诞生的源泉之一。
到了21世纪初，闻名理论物理学家李政道先生以为现在物理学也有两大疑难问题：一个是丢掉的对称性，例如电荷和宇称反演不变性的损坏(CP 损坏)；一个是看不见的夸克(夸克禁锢)。李政道先生以为这两个问题都跟真空的特性有关。正如咱们前面所述，真空的对称自发破缺导致了对称性的损坏，真空是一个抱负的抗电性的前言，也能够解说夸克禁锢。李政道先生以为，发掘真空的性质会有十分深化的知道，从而对物理学带来革新性的打破。
进一步，咱们还以为：20世纪初关于微观世界的探究，发作了第一次量子力学革新。量子力学是物理学最为成功的理论，现已衍生出丰盛的效果。可是关于其实质的奥妙却从诞生之日起，一向争论不休。
到了21世纪初，量子信息学的诞生，物理学家不只能够研讨量子力学能“做什么”，还要去诘问“为什么”。量子信息中不光供给了许多量子控制的办法和手法，还去深化探究量子力学的独特实质，例如量子羁绊、量子非局域性等。世界闻名学术期刊《天然—物理》在2014年宣布了量子力学底子问题的研讨专辑，清晰指出：第2次量子力学革新的号角现已吹响！正如咱们在本文中所论述的那样，关于量子真空的研讨，或许将为咱们揭开量子世界的实质疑团供给簇新的机会！
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