真空=冇嘢?現實世界唔係咁㗎!(Vacuum = empty space? Well, physics does not work that way)

真空係乜?除左指一個人冇著底衫之外,對一般人嚟講,喺物理上真空就係乜都冇,冇任何物件、粒子,甚至係任何嘢都唔存在(除左時空之外),係(接近)完全嘅虛無。不過哩個人人都以為同「阿媽係女人」一樣冇得好拗嘅概念,喺現實物理學世界又啱唔啱呢?


真·真空嘅辯論 (The historical debate of vacuum)

的確,真空顧名思義就係一個冇任何物質嘅空間狀態。由古希臘開始,人類就不停咁爭論所謂真·真空究竟現實上有冇可能存在。當中哲學家亞里士多德(Aristotle)提出「恐怖真空/自然界厭惡真空」(horror vacui or “nature abhors a vacuum”)嘅假說,話自然界唔存在真空哩樣嘢。不過受科技同物理知識嘅限制,當時哩啲爭論只係留於哲學層面或思想實驗階段,直到17世紀西方先真正開始出現物理實驗嘅研究。

1641年,意大利物理學及數學家托里斯利(Evangelista Torricelli)做實驗去驗證伽利略(Galileo Galilei)嘅研究時,喺一條長管入面注滿水銀,用手指塞住一面開口,然後好迅速咁將管口倒轉放喺一個裝滿水銀嘅盆度。佢發現管入面水銀柱嘅末端大概係76公分高,而哩個時候玻璃管最上面無水銀地方呈現出局部真空嘅狀態。哩個實驗叫托里斯利實驗,而個器材就係人類最早發明出嘅氣壓計。跟住冇幾耐之後德國物理學家兼市長葛利克(Otto von Guericke)受啟發,提出馬德堡半球(Magdeburg hemispheres)實驗,發明咗人類第一個真空泵[1]。

後嚟隨著科技嘅發展,人類開始逐漸掌握及改良製造真空嘅技術,而家已經可以做到唔同程度嘅真空狀態出嚟。雖然係咁,但真·真空存唔存在哩個辯論係唔係就好似大部分人所諗咁已經有咗定論,亞里士多德嘅假說係唔係就壽終正寢呢?


真空其實「有好多嘢」(Vacuum is not empty at all)

答案其實並唔係咁簡單,雖然喺宏觀上真空睇落好似乜都冇,但當放大到量子力學層面時,真空其實比你想像中複雜好多。就算將一個空間內嘅所有物質、空氣抽出,甚至真係做到將個空間完全同外界隔絕,空間嘅溫度達至絕對零度*,哩個空間都唔會係完全乜都冇嘅真·真空。根據量子場論(quantum field theory, QFT),宇宙入面嘅空間無時無刻都充斥住好多唔同大大小小嘅量子場。而粒子或物質其實係哩啲量子場喺唔同地方唔同嘅局部激發態(local excitation)嚟,每一種基本粒子對應住一種量子場,就好似光子係電磁場量子版本嘅局部激發態、電子/正電子係狄拉克電子場嘅局部激發態咁。

*任何有溫度嘅空間都會放出黑體輻射(blackbody radiation),即係有電磁波喺入面

一般理解真空既然乜都冇,入面嘅量子場喺所有地方全部處於基態(ground state),咁好自然你會諗哩個真空態(vacuum state)嘅能量值應該係零。不過事實其實唔係咁。根據量子力學嘅不確定原理(uncertainty principle),任何物理態嘅能量值點都會存在住一定嘅波動,時間間隔愈短,能量嘅波動就愈大,見下面公式。所以即使係真空,入面嘅量子場點都會有一定嘅波動存在,就好似根據熱力學定律你永遠冇可能去到絕對零度咁。虛粒子(virtual particles)就係哩啲波動喺量子場學嘅詮譯。喺「你唔為意」嘅一瞬間,真空嘅能量波動可以異常巨大,「憑空」衍生出好多一對對正反虛粒子出嚟。不過當你再觀察番個真空系統嘅時候,哩啲正反虛粒子會喺瞬間相撞相消番,所以現實你唔會觀察到佢哋存在。虛粒子雖然叫「粒子」,但其實佢哋同真實存在嘅粒子好唔同,嚴格上亦唔係粒子嚟,詳細嘅深度解釋可以睇[2] 。

或者你會問我哋又觀察唔到哩啲好似鬼咁嘅虛粒子過客,咁有乜證據證明佢哋「真係存在」而唔係物理學家9噏出嚟啊?事實係雖然我哋睇唔到啲虛粒子,但佢哋係會同真實存在嘅粒子發生相互作用,而物理學家就可以通過研究哩啲相互作用去驗證虛粒子嘅存在。最早嘅實驗證據就係喺1947年由蘭姆(Willis Lamb)同佢嘅學生雷瑟福(Robert Retherford)測量到,描述氫原子中電子軌域(electron orbital)2^S_1/2同2^P_1/2細微能量差異嘅蘭姆位移(Lamb shift)。如果只用狄拉克方程(Dirac equation)描述氫原子嘅話,理論上哩兩個能階嘅能量應該係完全一致先係。不過根據量子電動力學(quantum electrodynamics),氫原子核同電子中間存在住一對對虛電子同虛正電子嘅真空波動(vacuum fluctuations),哩啲波動會某程度屏蔽氫原子核嘅電勢。由於電子處於2^S_1/2軌域時同原子核嘅距離跟處於2^P_1/2時嘅唔同,所以真空波動導致嘅屏蔽效應大小會唔同,而哩個差別就係蘭姆位移背後嘅成因。

所以真·真空其實唔存在,真空其實擁有能量,即零點能量(zero-point energy),存在住無數咁多真空波動,亞里士多德嘅假說終於獲得平反啦!有關物理學中真空嘅講解可以睇下面《Veritasium》同《PBS Space Time》嘅短片:

(中文字幕)
(英文

真空唔止「有好多嘢」,仲係相對嘅(vacuum is not only empty, but is relative as well)

除左係有能量,唔係冇嘢之外,真空其實仲係一個相對嘅概念嚟。試想像以下情況:真空中有兩塊平行、唔帶電荷嘅金屬板好近咁放喺度。哩兩塊金屬板嘅存在,令板入面侷限空間嘅電磁波真空波動會受邊界條件限制,出現咗篩選機制,只有短過某波長、屬特定駐波態(standing wave)嘅電磁波先可以存在,相反外面嘅就唔受限制,好似上圖咁。由於金屬板外面嘅電磁波真空波動模式會比入面嘅多,真空態唔一樣,於是內外嘅真空能量出現差異,外面因為虛光子碰撞金屬板形成嘅光壓會比入面嘅強,結果就係金屬板會感受到一種無形嘅吸引力#。哩個現象就係著名卡西米爾效應(Casimir effect), 由荷蘭物理學家卡西米爾(Hendrik Casimir)喺1948年提出,後嚟喺1996年經實驗測量證實。

#題外話:要計算真空能量大小、哩個吸引力有幾大涉及量子場論中一個深奧嘅課題—重整化(renormalisation),運算過程仲會用到好似1+2+3+…=-1/12嗰啲「違反數學」嘅發散無窮級數


既然真空有能量,咁我哋有冇辦法將啲虛粒子變成真實存在嘅粒子,無中生有咁喺真空度攞能量呢?答案係有方法,不過冇咁簡單,而且根據熱力學定律亦唔會係無中生有,需要先喺真空製造邊界條件打破熱平衡,做成局部嘅能量差異,過程中付出嘅能量亦唔會多過你由真空攞到嘅。嗰個方法就係下面描述嘅應用動態卡西米爾效應(dynamical Casimir effect)

假設好似上段情況咁有兩塊金屬板喺真空度,不過今次我哋將其中一塊金屬板不停來來回回拉近拉遠咁加速郁佢。哩個過程中金屬板中間嘅虛光子會轉化成真實存在嘅光子,變成可以測量得到嘅電磁波。哩個現象形象化嘅解釋係因為當你郁金屬板嘅時候,板入面一對又一對本身應該瞬間出現,但又瞬間相撞相消番嘅虛光子會喺你郁嘅過程中「搵唔番」自己個partner,相消唔到所以變咗做真實存在嘅粒子。哩個係比較有「浪漫色彩」、科普常見嘅解釋。不過物理學上正確嚟講哩個現象成因係源自加速過程中金屬板表面同板中間真空嘅量子力學相互作用,而且過程亦付出咗相對應嘅能量,唔係無中生有。

著名嘅黑洞霍金輻射(Hawking radiation)同哩個效應亦相類似。大家仲記唔記得小弟之前講過廣義相對論中嘅等效原理(equivalence principle)[3]啊?由於身處一個加速𡁵嘅非慣性座標同身處一個靜止嘅重力場局部上係冇分別,所以動態卡西米爾效應背後嘅原理可以同樣用嚟解釋霍金輻射點嚟,而效應相對應要付出嘅能量就源自黑洞嘅重力場。

有關卡西米爾效應嘅詳細講解可以睇下面《PBS Space Time》、《Sixty Symbols》同《媽咪說》嘅短片:

(英文)
(英文)
(普通話)

總結:真空不空,兼且冇一個絕對嘅定義

希望大家睇完小弟嘅拙文後,對真空嘅了解多咗,達到「十年聚首龍峰寺,一悟真空萬境閑」嘅境界啦!(《送臨安南盪崇覺空禪師偈》,釋善清著)


最後容小弟喺「送中」臨近,6月有一個日子唔存在嘅哩一個星期分享下面一首二次創作歌,希望將來6月唔會得番28日啦 [sosad]

今次講到哩度,下次再講。


延伸閱讀:

[1] 《【科學史上的今天】5/8——馬德堡半球實驗》,張瑞棋著,刊於《泛科學》

[2] 《Virtual Particles: What are they?》by Matt Strassler (英文)

[3] 《淺談相對論[二]: 等效原理, 重力其實「唔存在」? 》

[4]《The Nature of Nothingness: Understanding the Vacuum Catastrophe》by Anumeena Sorna

[5]《“真空”是真的“空”嗎?》,沈匯濤著(殘體勿屌)

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