[拼音]：zhenkong

[外文]：vacuum

按照现代物理学的基础理论──量子场论，物理世界是由各种量子场系统组成的，这些量子场系统的能量较低的状态（即基态）就是真空。根据这种较新的科学认识，真空并不是“没有物质的空间”。

真空词源本义是虚空，即一无所有的空间。古希腊德谟克利特的原子论认为，所有的物质都是由原子组成，而原子之外就是虚空。我国古代张载、王夫之的元气学说则与此相反，认为世上万物皆由元气形成，而“阴阳二气充满太虚，此外更无他物，亦无间隙”。

近代物理学的发展史中，也贯穿着关于真空的这两种观点的斗争:与虚空论相对立的是以太论，它认为空间中总是充满了一种叫做“以太”的特殊物质。先是R.笛卡儿提出以太旋涡说，企图解释行星围绕太阳的公转，但为I.牛顿的万有引力定律所否定。之后有人认为引力是超距作用，无需以太作为传递媒介。19世纪光和电磁场的波动性的发现，又复活了以太的观念，光和电磁波被解释为以太的机械振动。然而A.爱因斯坦的狭义相对论指出，光和电磁场本身就是一种物质，可在空间中传播，又否定了以太存在。

如果真空是没有任何物质的空间，那末真空本身的各种性质是由什么决定的呢？爱因斯坦在用场的观点研究引力现象之后，便意识到真空即空的空间这一观念有问题，曾提出过真空不过是引力场的一种特殊状态的想法。其后，现代物理学的发展，终于获得了对真空的科学的认识，即真空是量子场系统的基态。在这个过程之中，P.A.M.狄喇克关于真空是负能态电子之海的观点，起了重要的决定性作用。

现代物理学认为，量子场是物质的基本存在形式，量子场的激发或退激即代表粒子的产生或消失。量子场系统的能量较低状态，亦即基态就是真空。这个基态形成自然界的某种背景。一切物理测量都是相对于这个背景进行的。对各种激发态而言，这个基态代表没有任何物理粒子的状态。也就是自然界中的真空。

按照量子场论，处于真空态中的各量子场仍处于不断运动之中。首先，量子场的各振荡模式在基态中仍不停地振荡（真空零点振荡）。如果量子场能够局限于有限的空间内，则当此有限空间的体积发生变化时，局限于其中的量子场的零点振荡能量将发生有限的改变，从而导致可观察的后果（卡西米尔效应）。此外，真空中的各量子场仍有相互作用（包括自作用），因而真空中不断地有各种虚粒子在产生、消失和相互转化（真空涨落），甚至可能存在某种粒子束缚态或集体激发态的相干凝聚（真空凝聚），所以真空本身就是极其复杂的，某种意义上像是媒质。

在量子场论中，对真空的研究非常必要，这是因为，微观粒子不可避免地要与真空中的虚粒子云或凝聚发生相互作用，所以严格考虑任何微观现象时都必须计及真空的影响；此外，由于物理粒子无非是真空的激发态，物理粒子的性质便与真空的性质有极为密切的关系。另一方面，量子场论又使真空的研究成为可能，因为真空的性质现在是由量子场之间的相互作用（包括自作用）决定的。真空的性质不再是物理学上的公设，它已变为可以研究的动力学问题。随着对真空物质的认识，真空的复杂性、多样性、真空的发展变化等问题都被一一提上了物理学研究的日程。这些过去不可思议而现在非常现实的物理问题的研究工作，正在不断地革新着人们的物理思想，为物理学的新发展开辟前进的道路。

这是粒子－真空相互作用的一个重要体现。例如，带正电的粒子会吸引真空中的虚电子，排斥虚的正电子，从而改变虚粒子云的电荷分布。这种现象很类似于宏观媒质的极化，叫做真空极化。在微扰论中，真空极化用光子（代表外电荷的电磁场）传播子的辐射修正图来表示；最简单的真空极化图是，光子变成虚粒子对，再变成光子。

真空极化会反过来影响粒子的性质，导致许多物理效应。首先，粒子本身的电荷（裸电荷）被周围极化的真空中反号感应电荷所屏蔽，使远处检验粒子测到的电荷（物理电荷）不同于裸电荷。这叫做电荷的重正化。这些都会导致可观测的后果，如氢原子能级的兰姆移位和电子的反常磁矩。在量子电动力学中，由于粒子的电荷很小，真空极化的效应是很微弱的。尽管如此，实验还是以极高的精度验证了这些效应，使真空极化和量子场论观念获得了科学的证实。

量子场不同类型的相互作用(包括自作用)，会导致不同类型的真空态。从对称性的角度看，早先总是习惯性地假设真空的对称性和相互作用的对称性一致，这就是所谓正常(普通)真空；量子电动力学的真空就属于这种类型。然而，也有真空的对称性小于相互作用的对称性情形，即发生了真空（对称性）的自发破缺。这种现象很类似于铁磁媒质中空间各向同性的自发破缺：分子的磁作用总是空间转动不变的，但铁磁媒质基态中自发磁矩的定向排列破坏了各向同性。

是否有真空（对称性）自发破缺，取决于量子场系统的具体的相互作用（包括自作用）。一般说来，如果系统的能量较低态是唯一的，则为正常真空；而如果存在多个能量相等的较低态（即简并的基态），且物理真空只是其中的一个状态，这时就会发生真空(对称性)自发破缺。

在对称性破缺的真空中，总凝聚着许多零动量的虚标量粒子（基本场量子或束缚态）；这是此种新型真空态与正常真空不同之处。物理上，是一定的相互作用造成了真空零动量玻色凝聚，而后者的存在又破坏了相互作用原有的对称性，从而造成对称性的自发破缺。理论上，这个真空凝聚的密度，是用某个场算子或复合算子的非零真空平均值来描写。它是个很重要的物理量，叫做真空的序参量。

真空(对称性)自发破缺，可以引起一系列新的物理现象。

（1）按照戈德斯通(Goldstone)定理，当有对称性自发破缺时，系统中一定会出现某种零静止质量的激发态；它可以是个基本粒子也可以是个复合粒子，叫做戈德斯通粒子；

（2）当相互作用的规范对称性自发破缺时，戈德斯通粒子不是物理粒子，它变成了规范介子的纵向自由度。这是原来没有质量的规范介子获得了静止质量。这就是有名的黑格斯机制。它的好处是在使规范介子获得质量的同时，仍然保持规范理论原有的可重正化性。

在粒子物理中，强作用的手征对称性和弱作用的规范对称性，都被认为是自发破缺的对称性。对于手征对称性，序参量是复合夸克场的真空平均值〈徰(x)ψ(x)〉，戈德斯通粒子是π介子，对于弱作用规范对称性，序参量是黑格斯标量的真空平均值，传递弱作用W±和Z0规范介子获得102GeV量级的质量，从而解释了弱作用的短程性。但是黑格斯粒子还未发现，黑格斯机制尚未得到实验证实。此外，在许多探索性理论（如大统一、超对称和超引力、强C P问题的某些理论方案）中，真空自发破缺都起着重要的作用。

与媒质类似，真空也存在相和相变。同样的量子场系统在不同的条件（如温度、粒子密度和外场强度等）下，也可能有不同类型的真空态，叫做不同的真空相；例如，正常真空叫做正常相，对称性破缺的真空叫做破缺相。此外，在一定条件下，真空的对称性可能发生突变，更一般的，不同的真空相可以彼此转变，这就是真空相变；另外，不同的真空相在适当条件下可共存，从而使得某一区域内的真空具有与邻近区域的真空极其不同的性质。这些量子场论理论上的可能性，为粒子物理探索新现象、发现新机制提供了新的概念和思路（被应用于量子色动力学的“色禁闭”问题、早期宇宙论、“反常核”理论及重离子碰撞理论的探索中）。

真空是量子场的一种特殊状态，这已成为现代物理中为实验证实的一个基本观念。它向人们提出了研究真空本身和真空－粒子相互作用的新课题。真空理论的发展，不仅为粒子物理学提供了新的概念、新的物理图像和思路，而且揭露了现存理论中的某些深刻的矛盾。人类对真空的认识还只处于初级的探索阶段，还有许多问题待研究，许多现有的理论上的考虑有待实验的检验。对于真空的认识，已经而且必将推动量子场论和粒子物理学的发展，已经而且必将进一步从科学上丰富和证实辩证唯物主义关于物质、运动和时间空间的学说。

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