【硬核科普】爆肝1万字！全网最详细的真空解读。真空是什么？真空的本质到底是什么？

【硬核科普】爆肝1万字！全网最详细的真空解读。真空是什么？真空的本质到底是什么？

真空是什么？这是一个看似简单却蕴含深奥物理学原理的问题。从古希腊哲学家亚里士多德的"恐怖真空"假说到现代物理学中复杂的量子场论，人类对真空的理解经历了漫长而曲折的发展历程。本文将从十个维度深入探讨真空的本质，带你领略这个看似"空无一物"的空间背后所蕴含的科学奥秘。

一、真空就是空无一物

早期人们利用亚里士多德的"恐怖真空"假说，来解释抽水机的抽水现象，也就是自然畏惧空虚。17世纪，人们发现这种抽水方式存在极限，水只能被抽至10米的高度。托里拆利在大约一米长的玻璃管内充满水银，当把它倒插在水银槽后，管内的水银柱下降了，水银的高度为76cm，上面的区域为所谓的真空，人们称这段真空为托里拆利真空。

二、真空存在能量场

1687年，牛顿给出了万有引力定律，但万有引力定律无法解释两个物体为什么存在引力以及引力的超距作用。法国数学家拉普拉斯提出引力场这个概念，来解释引力的超距作用。1865年，英国物理学家詹姆斯麦克斯韦提出了麦克斯韦方程组，这个方程组完成了电与磁的统一。

根据电磁波理论，变化的电磁场能产生电磁波

每一种相互作用都有自己的能量场，这些能量场可以存在于真空中。

三、绝对真空并不存在

20世纪初，物理学家发现处于激发态的电子会自发地从高能级向低能级跃迁，并释放出一个光子。根据当时的理论，如果原子处在一个孤立的状态，那么处在高能级的电子是不会向低能级跃迁的。在没有外界作用下，量子跃迁是不会发生的。物理学家发现处在真空的原子依旧会辐射光子。

原子受到来自真空的扰动，所以量子跃迁自发的发生了。量子场的真空期望值等于0，也就是能量的平均值等于0。量子场的能量值可以是正也可以是负，两者恰好抵消了，并形成真空期望值等于0。负能量指的就是虚粒子，这意味着量子场会产生粒子-虚粒子对并在极短的时间内湮灭。量子涨落是以虚粒子的形式表现的。

四、自然界从真空借能量

太阳中质子从真空中借能量，克服它们之间的电磁力，导致了核聚变的发生。中子衰变为质子这个过程中，中子也是向真空中借能量，衰变成比自己大了80多倍的w玻色子，再衰变为质子。

五、真空存在屏蔽效应

真空会屏蔽外界其他原子对于粒子的影响。举例现在物理学中基本粒子带电荷值都是在真空中测量的。真空中充满着一正一负的粒子-虚粒子对，带电粒子会让真空中的粒子和虚粒子发生极化，极化后的粒子虚粒子会减少带电粒子本身的电场，这个现象也被称之为真空极化，意味着我们的真空存在屏蔽效应，屏蔽了带电粒子真实的电荷，粒子标准模型里的电荷并不是粒子真正的电荷，粒子实际的电荷会更大一些。

六、真空的能量密度不为0

希格斯场即使在真空中能量的数值也不为0，其真空期望值大约为246GeV，希格斯场无法被移除。我们的真空中还充斥着暗能量这个东西，暗能量指的是让宇宙加速膨胀的一种能量，这种能量不参与任何相互作用，这些能量是看不见，听不见，摸不着的。暗能量唯一参与的相互作用就是引力相互作用，暗能量能对物质产生负压，让物质之间产生排斥力，而不是引力。所以我们的真空就是存在暗能量，计算得到暗能量的密度大约是在10^-9焦耳。

七、真空的能量不能被获取

暗能量不参与任何相互作用。真空处于最低能量态。真空中的能量是非常均匀的。

八、真空灾难

量子场论描述物质以及除了引力之外的相互作用。广义相对论描述了引力相互作用。

九、真空存在微调

在粒子标准模型里，每个粒子都有自己的质量，所谓的质量是相对于真空而言的。希格斯玻色子的质量也存在微调。

十、真空会衰变

希格斯场可能同时具有全局最小值和局部极小值。全局极小值的能量态是真的真空而局部极小值的能量态是假的真空。真空衰变的概率非常低，因为这需要借大量的能量。

十一、我们的真空存在时空

1905年，爱因斯坦将时间和空间统一成了四维时空。1915年，爱因斯坦提出四维时空能产生所谓的引力，能对我们产生实质性的影响。