真空=甚麼東西也沒有的空間？現實世界不是這樣的
真空是甚麼？除了指一個人沒穿底衫外，對一般人而言，在物理上真空就是甚麼也沒有，沒任何物件、粒子，甚至是任何東西也不存在（除了時空外），是（接近）完全的虛無。不過這人人也以為跟「媽媽是女人」一樣沒甚麼爭辯空間的概念，在現實物理學世界又存唔存在呢？
真·真空的辯論
的確，真空顧名思義就是一個沒任何物質的空間狀態。由古希臘開始，人類就不繼地爭論著所謂真·真空究竟現實上有沒有可能存在。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”）的假說，認為自然界不存在真空這東西。不過受科技和物理知識的限制，當時這些爭論只流於哲學層面或思想實驗階段，直到17世紀西方才真正開始出現物理實驗的相關研究。
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）的研究，在一條長管中注滿水銀，用手指把一面開口堵住，然後迅速地將管口倒轉放於一個裝滿水銀的盆中。這實驗中他發現管中水銀柱的末端大概為76公分高，而這時候玻璃管最上端沒水銀的地方則呈現出局部真空的狀態。這實驗叫托里斯利實驗，而該器材就是人類最早發明出的氣壓計。接著沒多久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，發明了人類第一個真空泵[1]。
後來隨著科技的發展，人類開始逐漸掌握及改良製造真空的技術，現在已經可以在局部空間做出不同程度的真空狀態。雖然如此，但真·真空存不存在這辯論是不是就如大部分人所想般已經有了定論，亞里士多德的假說是不是就壽終正寢呢？
真空其實「有很多東西」
答案其實並不是如此簡單，雖然在宏觀上真空看起來好像甚麼也沒有，但當放大到量子力學層面時，真空其實比你想像中複雜很多。即使將一個空間內的所有物質、空氣抽出，甚至真的能把該空間跟外界完全隔絕，空間的溫度達至絕對零度*，這空間也不會是完全甚麼也沒有的真·真空。根據量子場論（quantum field theory, QFT），宇宙中的空間無時無刻都充斥著很多不同大大小小的量子場。粒子或物質則為這些量子場在不同地方的局部激發態（local excitation），每一種基本粒子對應着一種量子場，就如光子為電磁場量子版本的局部激發態、電子/正電子為狄拉克電子場的局部激發態般。
*任何有溫度的空間也會釋出黑體輻射（blackbody radiation），即有電磁波在其中
一般理解真空既然甚麼也沒有，內裡的量子場在所有地方全部處於基態（ground state），那很自然你或會想這真空態（vacuum state）的能量值應該為0。不過事實其實並非如此。根據量子力學的不確定原理（uncertainty principle），任何物理態的能量值怎樣也會存在著一定的波動，時間間隔愈短，能量的波動便愈大，見下圖公式。所以即便是真空，內裡的量子場也會有一定的波動存在，有點像根據熱力學定律你永遠沒可能達至絕對零度般。虛粒子（virtual particles）便是這些波動在量子場學中的詮譯。在「你不為意」的一瞬間，真空的能量波動可以異常巨大，「憑空」衍生出很多一對又一對正反虛粒子出來。之所以衍生出的必須為一對對正反粒子是因為系統需遵守原本的C對稱守恆定律。不過當你再觀察該真空系統的時候，這些正反虛粒子便會在瞬間相撞相消掉，所以現實你不會觀察到它們的存在。虛粒子雖然叫「粒子」，但其實它們跟真實存在的粒子不大一樣，嚴格上亦不是粒子來，詳細的深度解釋可以看[2] （英文）。
或許你會質問我們又觀察不了這些如鬼魅般的虛粒子過客，那有甚麼證據證明它們是「真的存在」而不是物理學家胡扯出來的啊？事實是雖然我們並不能看到這些虛粒子，但它們會跟真實存在的粒子發生相互作用，而物理學家則可以通過研究這些相互作用去驗證虛粒子的存在。最早的實驗證是在1947年由蘭姆（Willis Lamb）跟其學生雷瑟福（Robert Retherford）測量到，描述氫原子中電子軌域（electron orbital）2^S_1/2和2^P_1/2細微能量差異的蘭姆位移（Lamb shift）。如果只用狄拉克方程（Dirac equation）描述氫原子的話，理論上這兩個能階的能量應該是完全一致才對。不過根據量子電動力學（quantum electrodynamics），氫原子核跟電子中間存在著一對對虛電子和虛正電子的真空波動（vacuum fluctuations），這些波動會某程度屏蔽氫原子核的電勢。由於電子處於2^S_1/2軌域時跟原子核的距離跟處於2^P_1/2時的不同，所以真空波動導致的屏蔽效應大小會不同，而這差別便是蘭姆位移背後的成因。
所以真·真空其實不存在，真空其實擁有能量，即零點能量（zero-point energy）$，存在著無數那麼多真空波動，亞里士多德的假說終於獲得平反了！有關物理學中真空的講解可以看以下《Veritasium》和《PBS Space Time》的短片：
https://youtu.be/gvN0jsYrnaU （中文字幕）https://youtu.be/X5rAGfjPSWE（英文）
$ 雖然名叫零點能量，但真空能量的絕對值不一定為0。事實上真空能量的絕對值是多少仍是物理學界未解的大謎團之一
真空不單是「有很多東西」，而且還是相對的
除了是有能量，不是完全沒任何東西外，真空其實還是一個相對的概念來。試想像以下情況：真空中有兩片平行、不帶電荷的金屬板很靠近的放在一起。這兩片金屬板的存在，會令板內側侷限空間的電磁波真空波動受邊界條件限制，出現了篩選機制，只有短過某波長、屬特定駐波態（standing wave）的真空電磁波才可以在內存在，相反外側的則不受限制，如上圖。由於金屬板外側的電磁波真空波動模式會比內側的多，真空態不一樣，於是內外的真空能量出現差異，外側因為虛光子碰撞金屬板形成的光壓會比內側的強，結果就是金屬板會感受到一種無形的吸引力#。這現象便是著名的卡西米爾效應（Casimir effect）， 由荷蘭物理學家卡西米爾（Hendrik Casimir）在1948年提出，及後在1996年經實驗測量證實。
#題外話：要計算真空能量大小、這吸引力有多大涉及量子場論中一個深奧的課題 — 重整化（renormalisation），運算過程還會用到如1+2+3+…=-1/12那些「違反數學」的發散無窮級數喔！
既然真空有能量，那我們有沒有辦法將虛粒子變成真實存在的粒子，無中生有地從真空中獲取能量呢？答案是「有的」，不過並不是你所想般，而且根據熱力學定律不會是無中生有，需要先在真空製造邊界條件打破熱平衡，做成局部的能量差異，過程中付出的能量亦不會多於你從真空獲取得到的。這方法便是如下段描述的應用動態卡西米爾效應（dynamical Casimir effect）：
假設如上段情況般有兩片金屬板在真空中，不過這次我們將其中一片金屬板不停來來回回、拉近拉遠地加速移動它。這過程中金屬板內側的虛光子會轉化成真實存在的光子，變成可以測量得到的電磁波。這現象形象化的解釋是因為當你移動金屬板的時候，板內側一對又一對本身應該瞬間出現，但又瞬間相撞相消掉的虛光子會在金屬板移動的過程中「尋找不回」自己的「伴侶」，相消不到所以變成了真實存在的粒子。這是比較有「浪漫色彩」、科普常見的解釋。不過物理學上正確來說這現象成因是源自加速過程中金屬板表面跟板內側真空發生了某種量子力學相互作用，而且過程亦付出了相對應的能量，並為無中生有。
著名的黑洞霍金輻射（Hawking radiation）跟這效應便是相類似。大家聽過廣義相對論中的等效原理（equivalence principle）嗎？由於身處一個加速中的非慣性座標與身處一個靜止中的重力場局部上是沒分別的，所以動態卡西米爾效應背後的原理亦可適用於解釋霍金輻射的成因，而霍金輻射相對應要付出的能量則源自黑洞的重力場。
有關卡西米爾效應的詳細講解可以看以下《PBS Space Time》、《Sixty Symbols》和《媽咪說》的短片：
https://youtu.be/Rh898Yr5YZ8 （英文）
總結：真空不空，兼且沒一個絕對的定義
希望大家看罷小弟的拙文後，加深了對真空的了解，能達到「十年聚首龍峰寺，一悟真空萬境閑」的境界啊！（《送臨安南盪崇覺空禪師偈》，釋善清著）
最後容小弟在「送中」臨近，有一個日子不存在的這個6月裡分享以下一首二次創作歌，希望將來華人社會的6月不會只剩28日或更少吧…
今次說到這裡，下回再談。
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
[3]《The Nature of Nothingness: Understanding the Vacuum Catastrophe》by Anumeena Sorna
[4]《“真空”是真的“空”嗎？》，沈匯濤著（簡體）
