量子基礎

作為活躍介質的真空(active vacuum)

在日常說法裡,真空不過是缺席:抽走所有空氣、所有物質、所有光,你就擁有了虛無。量子物理徹底顛覆了這幅圖像。真空並非虛無——它是充滿空間的所有場的最低能量狀態,而即便周圍沒有真實粒子,那些場依然存在、依然嗡嗡作響。量子真空遠非空洞而惰性,它是一種活躍、有結構、具備可測性質的介質。

有幾個特徵使真空活躍起來。它會漲落:場以無法消除的零點能抖動。它可被極化:在一個電荷附近,真空會作出響應而部分地屏蔽它,這使電力的強度看上去隨距離而變(跑動耦合)。在標準模型中,真空被希格斯場充滿,即便在空曠空間裡它處處取一個非零值;粒子通過與這一無處不在的背景交互作用而獲得質量。換言之,真空擁有一個能做真實物理功的狀態,而非一塊空白的幕布。

把真空當作活躍介質來對待,對現代粒子物理至關重要。要預言電磁力在短距離上的精確行為,離不開真空極化;非零的希格斯背景正是給 W 玻色子、Z 玻色子和基本費米子賦予質量的根源;而真空本身的能量,在宇宙學中又與宇宙學常數和暗能量糾纏在一起。一個誠實的提醒接續著最後這一點:對真空能量的樸素估算,與宇宙學測得的那個極小數值相差極其懸殊,這就是宇宙學常數問題,至今仍是物理學最深刻的未解謎題之一。

希格斯場在整個真空中取一個非零值,基本粒子通過與它交互作用而獲得質量——不過質子的大部分質量並非來自希格斯,而是來自束縛其夸克的強交互作用的能量。

真空是有結構的:一個嗡嗡作響的希格斯背景,賦予基本粒子以質量。

對真空能量的理論估算,比宇宙學實際測得的數值大得驚人;這個宇宙學常數問題尚未解決,預示著某種我們尚未理解的深層道理。

又稱
quantum vacuumphysical vacuum量子真空物理真空