‘虛無’的本質：理解真空災難

我們經常認為外層空間是一個沒有盡頭的真空，偶爾充滿了星系。我們沒有意識到的是，離開我們的眼睛，這個真空就會活躍起來。為了瞭解在我們背後的真空中到底發生了什麼，我們必須從研究空間本身開始。

那麼什麼是空間呢？量子場論告訴我們，空間是由基本量子場組成的，構成我們宇宙的每一個粒子都有一個獨立的場。電子、夸克、中微子和其他基本粒子只是能量不同的場的振盪。具體來說，它們有量子能量，作為基準能量的倍數存在。

你可以把它想象成一個帶能級的梯子。階梯上的每一個橫檔都代表著那個量子態中額外的一個粒子的存在。梯子的底部是沒有能量的地方，也就是說沒有粒子。這就是所謂的真空狀態。

但是我們會看到，我們實際上不可能有零能量。相反，量子場是隨機振動的。有時這產生足夠的能量，形成粒子從表面上看什麼都沒有！由量子場漲落產生的粒子稱為虛粒子。真空中充滿了這些虛擬粒子或“場中的擺動”。

但這裡有一個陷阱：這些粒子由粒子對和反粒子對組成。他們只活了很短的一段時間，直到他們互相毀滅，出現和消失。粒子的能量越高，它存在的時間就越短。

虛粒子聽起來太抽象，我來解釋一下：根據定義，這些難以捉摸的粒子只有在我們不注意的時候才會存在，但它們的存在可以在整個宇宙中感覺到。1948年，亨德里克·卡西米爾提出了一個觀察這些虛擬粒子的巧妙想法。

卡西米爾效應

讓我們想象兩個導電板在一定距離上連在一起。在這兩塊板之間，只允許那些波長與間隙的整數倍相匹配的虛光子存在。有點像一個特定長度的風琴管只與特定音高的波共振。

只有特定的光子才能存在於兩個板塊之間。與所有型別的虛光子都能存在的外部相比，這減少了板塊之間的真空能量。能量的差異導致了壓力差，並將兩個板塊推得更近。

外真空能>內真空能

1996年測量了這種效應，證明了真空能量是真實存在的！所以我們已經看到了對虛擬粒子證明的真實測量。我們也可以透過海森堡的不確定性原理從邏輯上推匯出來。

海森堡的不確定性原理

這個原理告訴我們，我們不能100%確定一個粒子在某一時刻的動量和位置。如果有“完全靜止”我們就會有動量為零的固定粒子，這意味著我們知道位置和動量。這不可能的！

相反，這個固定位置的粒子將是許多可能動量的量子模糊。這加起來就是一個實際的平均動能它形成了零點能量。任何“空空間”都包含這個零點能量。

我們也可以看看沒有粒子的情況。海森堡測不準原理的另一種變化告訴我們，我們不能同時定義能量和時間。如果我們試著定義我們所知道的量子振盪器的時間，我們不能確定在那個時間窗處能量為零！同樣，量子場將是一個模糊的能量，最有可能的能量狀態是零能量真空狀態。虛粒子是存在的。但那又怎樣？

虛擬粒子的含義

嗯，這些看起來微不足道的粒子對我們今天所知的宇宙產生了相當大的影響。它們不僅解釋了“粒子-粒子相互作用”，而且可以追溯到宇宙本身的起源！

宇宙的創造

讓我們回到最開始，回到大爆炸。但不要擔心，很快就會開始穩步擴張。微小的“點”持續最小的一秒鐘，然後在更短的時間內膨脹達到10^26倍。突然之間，一切都停止了。宇宙繼續擴張，但速度正在下降。快進到大約60億年，宇宙的擴張速度再次開始增加。

現在讓我們把這個和量子場聯絡起來，不能靜止。通常，這些振盪隻影響亞原子過程。但回到宇宙膨脹如此之快的時候，這些微小的波動就膨脹到了可觀測宇宙的規模！如果沒有真空能量，物質的分佈很可能是完全均勻的。

如果沒有這些虛無的東西，我們的宇宙可能真的什麼都不包含，令人難以置信的對吧？但是，虛擬粒子不僅塑造了我們宇宙的起源。它們繼續透過影響巨大的黑洞來改變宇宙。

黑洞

虛擬粒子導致黑洞，宇宙的真空吸塵器，實際上會蒸發。通常，當一個虛擬粒子突然出現時，粒子和它的反粒子會存在一會兒，然後彼此湮滅。但當這種情況發生在黑洞視界附近時，一個粒子可能落入黑洞，而另一個粒子則進入太空。這種逃逸粒子導致黑洞蒸發。這個蒸發過程被稱為霍金輻射。

基本上，由於時空的曲率，虛粒子被推進成為實粒子。黑洞需要放棄它的一部分質量來產生這種能量，本質上，蒸發。但別擔心！這並不意味著我們所有的黑洞都會消失。黑洞消失成虛無需要相當長的時間。

霍金輻射

所以我們已經看到虛擬粒子促成了可觀測宇宙的形成和黑洞的蒸發。零點能量本身呢？這種能量實際上什麼也不產生。我們能否利用這種“自由能量”最終控制宇宙？

能量過剩?

基於量子場理論，電磁場的零點能量密度估計約為10爾格/釐米，一個非常高的能量！這種高得離譜的能量促使許多偽科學家用它來計算“零點能量機器”，甚至把它當作操縱扭曲場和開啟蟲洞的負能量。

事實上，熱力學第二定律告訴我們，只有當熵有差異時，我們才能利用能量。我們的能量量子場幾乎在任何地方都是一樣的，這意味著我們處於平衡狀態。對不起偽科學家！看來你得想辦法穿越時空了！這種真空能量的計算源自量子場論，可以說是物理學中最成功的理論之一。但是從實際的真空能量測量來看，有些東西並不符合邏輯。真空能量的理論值和實測值之間的這種不一致可能是物理學中最大的未解之謎之一，被稱為“真空災難”。

真空災難

真空能量的測量值是10倍低於預測由量子場理論！讓我們仔細看看虛擬光子的情況。

根據量子場論（QFT）和海森堡測不準原理，任何場的振盪都必須是普朗克常數*振盪頻率的一半。這個數字很小。但是考慮到它存在於每個頻率模式中，它的累加速度非常快。事實上，它會趨於無窮。如果我們把光子的截止頻率，光子能量等於普朗克能量，得到總能量密度高達10爾格/釐米。但是有了這麼大的能量，我們應該能看到巨大的引力效應。宇宙會迅速膨脹。

宇宙在膨脹，只是速度沒有那麼快。如果真空能量是宇宙的擴張的原因，然後真空能量的絕對密度將僅10^（-8）爾格/釐米，比理論值小！我們只能寄希望於科學的進步能找到解決這場災難的辦法。在此之前，這個問題將繼續困擾著物理學家，使他們無法對我們周圍的宇宙有更深刻的理解。