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量子論解開神秘的「真空」之謎── 轉載自《牛頓雜誌》
很多人認為「真空」中沒有任何物質存在，不會產生任何現象。但已知在真空中的兩塊金屬板會相互吸引，也有人相信宇宙是由真空中誕生，也有物質是由真空中產生，並由此形成星系和星球的學說。以探索微觀世界的量子論來講，真空並非「不存在任何物質的空間」。本文即是介紹以量子論立場所了解的真空。
何謂「真空」？一般人通常認為是「不存在任何物質的空間」，由此也許可以定義為「不發生任何現象的空間」。至少這是19世紀以前大家所認同的想法。
但現代物理學家已經明瞭，真空空間並非不存在任何物質，實際的情況是其中隱藏著微觀而複雜的現象。例如，廣泛受到科學界重視的宇宙論之一是主張宇宙誕生時的宇宙空間並不存在有任何物質，為一個真空狀態，後來才出現物質並逐漸形成數不清之大量天體存在的現在形態。
目前尚無法證實此學說的正確與否，但是由此可知科學家知道「真空」具有「無中生有」的性質，才會出現如此學說。
在真空中存在有能夠發揮作用的神秘力量
即使沒有出現上述的宇宙論，我們仍然能夠發現一些顯示出真空的確擁有多種未知性質的現象，其中之一就是有名的「卡西米爾效應」(Casimir effect)，這是指2塊金屬板相互吸引的現象。
這裡所談的並非指兩物體間的萬有引力，而是某種比萬有引力更強大的力量，同時也與萬有引力不同，其大小與金屬板重量無關。
卡西米爾效應是1948年由荷蘭物理學家卡西米爾(Hendrik B.G. Casimir)預言的現象，他注意到2塊金屬板劃分空間的結果會促使真空性質產生改變，並由此導引出應該有某種力量存在的結論。
在理論物理學領域裡，卡西米爾的結論是廣泛為人所熟知的學說，但是一直到最近才經過科學家的實驗諸實。我們會在後文提到這個實驗，但比有關此實驗的詳細內容更重要的是現代物理學對於真空到底有哪些看法，茲以此議題為中心討論一下。
真空是「不存在任何物質的空間」嗎？
一般直覺地認為「真空J就是「不存在任何物質的狀態上但是完全抽出密閉容器內的空氣之後，容器內就是「真空」嗎？不用想得很複雜也知道並不是真空，因為其中還存在有電磁波。
物體加熱之後就會發亮，也就是由其表面釋出光線，冷卻後雖不再發亮，但仍然會釋出紅外線。光是一種電磁波，人類眼睛無法看到之波長較長的光就是紅外線。站在暖和的物體旁邊時，即使不直接接觸也可以感覺溫暖，因為身體會感覺到紅外線。物體會釋放出電磁波，而電磁波的強度和種類則是依物體的溫度而定。因此，即使能完全抽出容器內的空氣，但是容器內部依然充滿著由容器內壁釋放出來的電磁波，不能將其視為「真空」。或許有人認為電磁波並非粒子，即使存在仍能稱為「真空」。不過在進入20世紀之後，科學家已經知道電磁波(包括光)就是「光子」(photon)粒子組成的集團，也就是說不能將電磁波另做特別處理。那麼如何才能消除電磁波呢？很簡單，將容器本體的溫度降到「絕對溫度0度K」〔即絕對零度(absolute zero)〕即可。所謂絕對溫度0度K就是攝氏溫度零下273.16度，是根據熱力學理論可測量到的最低溫度。上文已提到物體即使溫度降低依然會釋放出紅外線，但是降低到0度K則不再釋放出紅外線。
將溫度降到0度K，在容器中連光子也會消失無蹤。不過，讀者要知道，即使容器本體的溫度降到0度K之後，我們還不能說容器內絕對不會發生任何活動。談到此處我們才真正進入本文的主題。
量子論的新「粒子觀」
首先要說明的是進入20世紀之後才明瞭的新粒子觀。讀者或許會問：「真空」是粒子不存在的狀態，但是為何要討論粒子問題呢？其實正因為「無粒子」狀態才是「真空」，所以我們必須先了解何謂「粒子」。已知組成電磁波的粒子是光子，但是一般人由其稱呼而認為是像「波」狀的東西，繪出的形態也是波形。換句話說，我們一直認為電磁波是電界(電場)與磁界(磁場)的波。
到了20世紀，物理學領域裡出現由新觀點出發的「量子論」(quantum theory)之後，人們才重新認識這是一種「粒子集團」。經過多種實驗才逐漸明瞭原子性質，進而了解不能侷限於以過去的觀點來看待粒子，由此遂出現了新粒子觀──量子論。
粒子具有同時共生多處的性質
一顆皮球不可能同時存在於A手中和B手中，皮球只能存在於非A則B的手中，為此認為某個粒子在某一時刻只能存在於某一點是很自然的思維路徑。但是依照量子論，這個「想當然耳」的現象不會成立，因為粒子具有存在於A處又存在於B處等，以及多種狀態同時「共生」多處(可以說是無限處)的性質。
以原子中的電子為例，即使只有1個電子，它仍會在原子核周圍創造出位於不同位置的存在狀態，此狀況並非「固定存在」於A處或B處，而是存在於雙處的「共生」狀態。其共生狀態有多種可能，但不是雜亂無章。原子核周圍的電子越接近原子核的共生度越大，越遠離原子核的共生度則越接近0。我們可以依量子論的基本定律來了解共生狀態，電子擁有的能量係依照所容許的共生狀態而定。
為何必須是複數共生狀態呢？因為在某一瞬間只出現有一種狀態時，就可以根據量子論的基本性質導引出下一瞬間的存在位置。此即表示電子在某特定位置時，下一瞬間會擴散到整個空間。如果要使電子存在的位置就如原子般限定在某種程度範圍之內，在剛開始時就必須先準備具有共生狀態之某種程度的活動空間，如此才能使粒子在共生的各種狀態相互影響下不會無限制地擴大其活動範圈。這就是「測不準原理」(uncertainty principle)，為量子論的基本性質之一。
量子論中的光與真空
上述的量子論理論如何適用於光(電磁波)？我們已知電子是在各種空間中具有多種共生狀態，但電磁波是波，當然會擴散。以量子論研究電磁波時，應該討論波的振幅而不是空間。
振幅是指波的高度，例如水面的波浪，其波高較大時，目視即可辨別1公尺 高或2公尺 高等等，而更微細的差距則可以利用精密儀器去測量出來。但在微觀世界就沒那麼簡單，因為波並非僅靠一次振幅的振動，其中共生著各種振幅，電磁波也不例外。詳細調查就知道必定存在著不同振幅的波，其共生的狀況可以利用量子論的
電磁波理論來了解。但是並沒有固定的模式，因為共生狀況不同，各自的能源也不同，只有依其能量大小來決定電磁波中的光子數量。
上文已提到過，將密封容器中的空氣抽盡之後，容器內仍然充滿著電磁波。事實上，例如每邊10公分 大小而常溫(攝氏20度左右)的容器內存在著數千億個光子，但經過冷卻後則迅速減少，如果能達到0度K的理想狀態，那麼光子數量便成為0。
真空中充滿著微小波動
光子數量成為0是何種狀態呢？此時就需要適用量子論。以極微觀的觀點來觀測，容器內共生著不同振幅的多種電磁波，其中能量最小的電磁波就可以因應0光子的狀況。已知波的能量與振幅有關，波?越高則能量越大。那麼能量最小時會出現什麼狀況呢？如果是在量子論未出現的時期，對此疑問的答覆大概是0振幅(也就是完全的無波狀態)時能量最低。
但是我們不要忘記測不準原理，對粒子位置產生的各種現象也會產生於波的振幅，即某一瞬間成為完全0振幅之後，下一瞬間會形成所有振幅共生的狀態。可以說，如果要盡可能保持最小振幅，開始時就要承認某個程度之微細振幅的共生，由此共生的波在相互影響下產生制止振幅加劇的作用。此微細波即稱為「零點振動J(zero point vibration)，是表示極接近0振幅的微細動態。所謂「光子完全不存在」狀態並非指完全沒有電磁波的存在，而是指充滿量子論性零點振動的狀態。此狀況並不限於光子才產生，空間中充滿著包括電子、質子在內所有粒子的零點振動(講得正確一點，這是電子等各種基本粒子共生度的零點振動)。
微細波產生的能量
我們已知「真空」並不是沒有任何物質的狀態，而是充滿零點振動的狀態。這種狀況與上述的卡西米爾效應有何關聯呢？卡西米爾效應是指在空間中的2塊金屬板在相互間會產生微小引力，其原因是放置金屬板會引起電磁波零點振動的變化。金屬可以遮斷電磁波，例如在一個以金屬板為牆壁的房間裡無法收到無線電視與無線電廣播等等的訊號，因為在金屬板上的電磁波必須成為0而無法穿透進到房間內。此狀況也會影響到零點振動。由於電磁波的零點振動不只1種，各個不同的波長都有其不同的零點振動。
在空間中平行放置2塊金屬板時，由於金屬板上的電磁波必須完全為0，為此金屬板間可能存在的電磁波種類自然有限，同樣地也限制了零點振動的種類，則只留下在金屬板上的振|幅會變為0的電磁波。空間便變為不同於無金屬板時的真空，當然真空狀態會因金屬板的間隔而有不同的狀況。
不同的狀態有不同的能量，因為真空中也有零點振動，如果知道零點振動的狀況就知道其能量。卡西米爾於1948年計算其變化，並知道金屬板間隔越小，由零點振動產生的真空能量越小。物體是朝能量較小的方向移動，物體會掉落是因為低處的位能較小。金屬板也會向能量較小、間隔較窄的方向移動，由此出現金屬板互相吸引的現象。
1958年進行了與卡西米爾效應有關的實驗，但此實驗需要測量極微細的現象，執行起來十分困難，實驗結果雖然與卡西米爾的計算不會產生矛盾，不過誤差很大。還好最近美國洛塞勒摩斯國家實驗室(Los Alamos National Lab-oratory)的拉摩勞指出，他獲得了誤差在百分之5以內，與計算一致的實驗結果。
物質是由宇宙創造時期的真空中誕生的
卡西米爾效應由於在真空中也會發生，所以是令人印象深刻的現象，不過零點振動效應在自然界裡處處可以見到。上文已經提到過，此現象或許與宇宙中物質的產生有關。
我們就舉一個例子來說明其中的含義，我們可以設定帶有秤錘的長導線擺子，外表上看來呈靜止狀態的擺子，以微觀的觀點來觀察時仍然有零點振動。如果將此擺子垂直拉上，則會縮短導線的長度。只要擺子完全靜止又正確地順沿垂直方向拉上，即使導線變短，擺子依然不會搖晃。但事實上仍然有零點振動的存在，導線縮短的結果往往會增強振幅的程度。由這種因為「縮短」而形成的「狀況變化」，會產生非零點振動狀態。這個狀態已經不是因應真空的振動，而變成光子或其他粒子存在的狀態，此現象正是「粒子的發生」。
創造時期的宇宙中，曾發生過空間膨脹等多項變化，也發生相當於擺子導線長度變化的「狀況變化」，此現象或許在真空的宇宙空間裡的粒子發生機制中具有重要意義
