真空不空？声音还可以在其中传播？物理教科书又要改写了

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上周，12月11日，《自然》杂志报道了一项足以撕裂全世界物理教科书的研究:声音可以在真空中传播！

我们初中物理课本上说:声音的传播需要媒介，所以声音不能在真空中传播。

高中毕业后，我们的物理书进一步解释道:声音的本质是一种由物质分子振动引起的波，因为真空是空的，当然物质分子没有振动，所以振动的声波不能传播。

实验事实不会错，那么我们的教科书错了吗？

事实上，在上面的段落中，我们“正确地”认为真空是完全空的。然而，在量子世界中，没有什么是理所当然的。

那么，真空里是什么？这和声音在真空中传播有什么关系？

别担心，我们来谈谈“真空不是空的”的故事。在这个故事中，我们将看到真空中的东西不仅能传递声音，还能让壁虎趴在墙上。它也是著名的霍金辐射(也称为黑洞辐射)的来源。

弹簧和球:量子场论的起源

大约100年前，人们已经知道，如果原子中的电子吸收能量，它们的能量就会增加。如果你想跳回到原来的状态，你必须通过释放电磁波释放能量，爱因斯坦称之为光子。

这种现象就像如果一个人吃葡萄，他会吐出一层相对温和的葡萄皮。

然而，人们也发现，有时电子不需要吸收能量，也可以主动释放光子，这种现象称为自发辐射。这类似于一个不吃葡萄但会吐葡萄皮的人，这很奇怪。

1927年，物理学大师狄拉克给出了一个解释。他认为，虽然真空中似乎没有葡萄或葡萄皮，但这只是一种表面现象。真空中有许多对“葡萄——葡萄皮”。它们几乎在同一时间很快产生和消失，使真空看起来好像没有葡萄。

现在想象一对“葡萄-葡萄皮”出现在你的嘴上，就像葡萄落入你的嘴里，所以你吸收了一颗葡萄，葡萄皮留在真空中。所以看起来你吐了一层葡萄皮，尽管你什么也没吃，但是这种葡萄是用真空喂养的，我们只观察了剩下的皮。

玻尔曾经说过:“狄拉克拥有所有物理学家中最纯洁的灵魂。”狄拉克坚持认为物理方程应该有完美的数学形式，并以此信条指导他的研究。他拒绝“丑陋的”数学导致他后来的研究逐渐偏离主流。这张照片显示了狄拉克大约在1930年(照片来源:*)

这个假设是成功的，因为它完美地解释了自发辐射。经过一系列的修正和改造(尤其是杨-米尔斯理论，是教授的主要著作，是最重要的)，这一理论发展成为后来的量子场论。

主要思想也很简单:首先，对于任何物质(或能量)，都有相应的“场”，例如，光子对应于电磁场，电子对应于电子场。一个场可以看作是由许多由弹簧连接的小球组成的。每个字段都充满了整个空间。

注意:你怎么理解这里的“任何”这个词？这里的一切都可以从字面上理解。例如，一个对象对应于一个对象字段，头发对应于一个头发字段。根据量子场论，真空中的电磁场波动会产生光子，电子场波动会产生电子，物场波动会产生物体，而发场波动会产生毛发。不要太早开心——材料越多，越不可能开心。即使电子产生的概率无限接近于零，所以不要梦想得到头发和物体。

(照片来源:新浪微博)

然后，由于弹簧的存在，每个球都在不停地振动，科学家称之为“波动”。如果振动太剧烈，导致弹簧断裂，那么将获得一个*球。例如，电子场的波动可以产生一个电子。

水波的波动偶尔会产生一滴水，这一滴水很快又会回落到水波中。场的波动产生粒子的过程与此类似。

(照片来源:http://bostonreview.net/)

最后，*球返回到球阵列。*球不断快速地从空间中出现和消失，因此整个空间中没有*球，整体的平衡得以保持。

卡西米尔效应

每一个新理论出现后，科学家总是渴望找到方法来验证它。1948年，荷兰理论物理学家卡西米尔发现了一种通过纯理论计算来验证上述理论的方法，这就是著名的卡西米尔效应。

想象一个有两块平行金属板的大真空空间。由于两个板之间的空间相对于板的外部相对较小，如果量子场论是正确的，那么板之间的场中的小球的数量应该小于外部空间。然后，板之间的球对板的冲击力应该小于板外部的球对板的冲击力，因此板将被外部挤压。

很快，这个理论预言的现象被观察到了。真空中的平行金属板受到真空施加的挤压力。

换句话说，真空中有许多小球！真空不是空的！

由于板块之间的磁场波动产生的少量粒子，将会感受到外层空间产生的压力。这就是卡西米尔效应(照片来源:https://skepticalinquirer.wordpress.com/)

根据狭义相对论，物质和能量的本质是相同的。真空中有许多小球，这意味着真空中有非零能量。科学家可以计算真空中的能量值，这被称为零点能量。不要低估零点能量。虽然我们平时感觉不到它的作用，但当两块金属板靠得很近时(例如，大约10纳米)，真空零点能量可以在金属板上施加大约1个大气压的压力。因此，在设计先进的计算机芯片或航天器时，必须考虑卡西米尔效应。

声音穿过了真空。

量子场论认为，所有的物质和能量都可以对应于真空中的一个场，所以声音作为振动能量，也可以对应于振动能量的一个场。让我们再考虑真空中的两个平行金属板，在它们之间有上述的振动能量场。如果振动能量被施加到一个板，该能量将与板之间的振动能量场相互作用，从而引起另一个板的振动。这就是声音的卡西米尔效应。换句话说，声音可以通过真空传播。在微观层面上，分子振动也是一种热现象，所以声音可以通过真空传播，这意味着热也可以通过真空传播。

注:传热方式包括热传导、热对流和热辐射，其中传导和对流需要介质，辐射不需要介质，但能量以电磁波的形式传递。在这个实验中被证明的热量通过真空传播，不是通过辐射，而是真正意义上的，它不需要介质来传播。

虽然从理论上可以预测这种效应，但观察起来非常困难，因为它非常微弱。美国加州大学伯克利分校的张实验室在一个精心设计的实验装置的帮助下，首次观察到了真空中的声传播现象，这是本文开头所提到的研究成果。

这再次证明了量子场论的主要观点:“真空不是空的”和“一切都是场”。

当两个金属板之间的距离小于500纳米时，可以观察到高温物体的温度(T2)降低，而低温物体的温度(T1)升高，即热(振动能量，即声能)在真空中传播。实验消除了对流和辐射的干扰。

(照片来源:参考文献1)

黑洞和壁虎

为什么霍金说黑洞发射辐射？为什么壁虎可以挂在墙上？这都与我们今天讨论的量子场论和卡西米尔效应有关。

霍金利用真空不是空的原理预言了黑洞辐射的存在。

他的主要观点是黑洞是一个天体，它的光速无法逃脱它的引力。我们考虑黑洞边缘的空间。由于磁场的波动，有可能产生一对正负物质球。由于量子力学的不确定性原理，这对小球的速度可能超过光速。此时，如果反物质球落入黑洞，那么正物质球可能脱离黑洞并飞出。落入黑洞的反物质球与黑洞中的其他正物质球重新结合，以减少黑洞的质量。总的结果是黑洞质量减少，释放出一个小的正物质球。这就是黑洞辐射的原理。

该理论打破了黑洞“只进不出”的形象，具有划时代的意义。这也是霍金史诗般的成就之一。

注:在超光速问题上，狭义相对论仅证明“物体不能通过加速达到光速”，但它并不限制物体出生时超过光速的速度。否则，即使光本身也无法达到光速。

如图所示，如果成对粒子中的一个落入黑洞，而另一个从黑洞逃逸，逃逸的粒子就变成了黑洞辐射。

(照片来源:https://www.physics-astronomy.org/)

更令人意想不到的是，即使是一只小壁虎也能利用卡西米尔效应爬墙。

壁虎脚上有成千上万的刚毛，每一个都非常小，小到每一个刚毛与墙壁之间的距离只有纳米级。正如我们前面提到的，如果两块板之间的间距很小，卡西米尔效应可以施加相当大的压力将两块板压在一起。因此，成千上万组卡西米尔效应在壁虎脚上把它挂在墙上。

注意:一般来说，壁虎爬墙被解释为由于刚毛和墙壁之间的范德华力。范德华力是卡西米尔效应和分子尺度卡西米尔效应的微观描述，两者是等价的。

壁虎脚上的毫米大小的帽子结构为壁虎提供了足够的卡西米尔效应力(照片来源:https://www.pinterest.com/)

虽然壁虎不懂量子场论，但是大自然却知道一切。在美丽精致的大自然面前，没有人敢称之为无所不知，也没有人敢称之为伟大。

注意:为了便于理解，本文在不影响正确性的基础上，形象地或简单地处理了复杂的概念。详细说明请咨询专业人士或在后台联系作者。

参考:

方克英、李、洪、赵、李仁杰等(2019)。通过量子涨落穿过真空的声子热传递。自然576，243–247

赫尔沃耶·尼科利奇(2016年10月10日)。卡西米尔力不是来自真空能量的证据。物理字母b . 761:19202。

s . spagnolo(2007)。有限温度和边界条件下两个原子间的卡西米尔-波尔德相互作用势。物理复习a76(4):042112。