兩千多年前，亞里士多德宣稱，由于物體會(huì)在真空中以 " 不可能 " 的速度穿行，因此自然界不存在真空。1277 年，法國(guó)主教艾蒂安 · 坦皮爾（Etienne Tempier）反駁說上帝無所不能，甚至可以創(chuàng)造真空。

之后，一個(gè)科學(xué)家成功創(chuàng)造出了真空。德國(guó)科學(xué)家馮 · 格里克（Otto von Guericke）用一個(gè)自制的泵抽出了銅制球殼中的空氣。這或許是地球上第一個(gè)高質(zhì)量真空環(huán)境。在他 1654 年的一次展出中，即使是兩個(gè)馬隊(duì)也無法拉開被真空吸在一起的西瓜大小的兩個(gè)半球。

自那時(shí)起，真空就成了物理學(xué)的一個(gè)基礎(chǔ)概念、成了其他理論的基礎(chǔ)。馮 · 格里克的真空是不存在空氣；電磁學(xué)意義上的真空是不存在能使光減速的介質(zhì)；引力的真空是不存在能使空間彎曲的物質(zhì)和能量。在不同例子中，真空的具體含義取決于物理學(xué)家想要描述的事物類型。" 有時(shí)，這就是我們構(gòu)建一個(gè)理論的方式。" 伊利諾伊大學(xué)的理論物理學(xué)家德拉佩（Patrick Draper）說。

當(dāng)現(xiàn)代物理學(xué)家在努力為自然終極理論尋找更復(fù)雜的假說時(shí)，他們遇到了越來越多種類的真空。每種真空都有自己的特征，就像一種物質(zhì)的不同存在狀態(tài)一樣。越來越多的人認(rèn)為，了解宇宙起源和未來命運(yùn)的關(guān)鍵可能是仔細(xì)地考量這些不斷增多的 " 不存在 " ——也就是真空的類型。

《真空的力量》：1672 年，德國(guó)科學(xué)家馮 · 格里克寫了一本關(guān)于真空的書，書中描述了他給皇帝費(fèi)迪南德三世 ( Emperor Ferdinand III ) 做的一次展示，兩隊(duì)馬試圖將一個(gè)抽成真空的銅球殼分成兩半，但沒有成功。圖像來源：Royal Astronomical Society / Science

" 關(guān)于真空，還有很多未解之謎。" 加州卡弗里理論物理研究所的粒子物理學(xué)家加西亞 ( Isabel Garcia Garcia ) 說，" 到底還有多少是我們不知道的？"

到目前為止，關(guān)于真空的研究得出了一個(gè)戲劇性的結(jié)論：我們的宇宙可能坐落在一個(gè)劣質(zhì)的基礎(chǔ)——" 亞穩(wěn)態(tài) " 的真空之上，這個(gè)真空注定在遙遠(yuǎn)的未來變成另一種空無，而一切都將在這個(gè)過程中被毀滅。

量子真空

二十世紀(jì)，當(dāng)物理學(xué)家開始將用場(chǎng)的觀點(diǎn)來看待現(xiàn)實(shí)世界時(shí)，一切都變得不那么簡(jiǎn)單了：物理量在空間的每一點(diǎn)上都有一個(gè)值（比如，電場(chǎng)用來描述空間的某一點(diǎn)上電子會(huì)受到多大的力）。在經(jīng)典物理中，場(chǎng)的值可以在任意點(diǎn)為零，它不產(chǎn)生影響，也不含有能量。麻省理工學(xué)院的理論物理學(xué)家哈洛 ( Daniel Harlow ) 說：" 經(jīng)典意義上真空很無聊，什么也沒在發(fā)生。"

但是物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，宇宙中的場(chǎng)是量子而非經(jīng)典的，這意味著它們?cè)诒举|(zhì)上是不確定的。不存在能量精確為零的量子場(chǎng)。哈洛把量子場(chǎng)比作一組分布在空間每一點(diǎn)上的鐘擺——它們擺動(dòng)的角度代表場(chǎng)的數(shù)值。每個(gè)鐘擺都在最低點(diǎn)附近微微擺動(dòng)。

如果不加干涉，量子場(chǎng)將處于其能量最低的狀態(tài)，也就是所謂的 "基態(tài)" 或者 "真空態(tài)"。（基本粒子是場(chǎng)受擾動(dòng)產(chǎn)生的波紋。）" 真空其實(shí)是一個(gè)系統(tǒng)的首選狀態(tài)，" 加西亞說。

我們宇宙中絕大多數(shù)量子場(chǎng)都有且僅有一個(gè)基態(tài)，在基態(tài)下它們會(huì)永遠(yuǎn)保持穩(wěn)定。當(dāng)然，只是絕大多數(shù)場(chǎng)，而不是所有。

真假真空

在上世紀(jì)七十年代，物理學(xué)家開始意識(shí)到另一類量子場(chǎng)的重要性。它們的值，甚至平均值，都不是零。這樣的一個(gè) " 標(biāo)量場(chǎng) " 像是許多以固定的特定角度——比如 10 度——傾斜的鐘擺組成的。這種狀態(tài)可以是基態(tài)：這些鐘擺更傾向于停在這個(gè)角度，此時(shí)它們是穩(wěn)定的。

2012 年，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上證實(shí)宇宙中存在一種叫做 "希格斯場(chǎng)" 的標(biāo)量場(chǎng)。在炙熱的早期宇宙中，希格斯場(chǎng)的鐘擺起初指向正下方。但隨著宇宙逐漸冷卻，希格斯場(chǎng)的狀態(tài)發(fā)生了變化，就像水變成冰一樣，它的鐘擺都偏離正下并上升到了一個(gè)相同的角度。（這個(gè)非零的希格斯場(chǎng)為許多基本粒子賦予了質(zhì)量。）

如果周圍有希格斯場(chǎng)，那么真空并不是絕對(duì)穩(wěn)定。一個(gè)場(chǎng)的鐘擺或許會(huì)有許多亞穩(wěn)態(tài)的角度，并可能從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N。比如，理論家們就還不確定希格斯場(chǎng)是否處于它最穩(wěn)定的狀態(tài)——真正的真空。一些人認(rèn)為，盡管希格斯場(chǎng)目前的狀態(tài)據(jù)研究維持了 138 億年，但它只是暫時(shí)穩(wěn)定，或者說 "處于亞穩(wěn)態(tài)"。

如果真的如此，那么美好的時(shí)光就不會(huì)一直持續(xù)下去。在二十世紀(jì)八十年代，物理學(xué)家科爾曼和德盧西亞描述了希格斯場(chǎng)的偽真空態(tài)是如何 " 衰變 " 的。在某個(gè)時(shí)刻，如果一些位置上足夠多的鐘擺擺動(dòng)到了真正的真空——或者說虛無——所對(duì)應(yīng)的更有利于穩(wěn)定的角度，它們就會(huì)將它們的鄰居拖到相同的角度，然后這個(gè)局域的真空會(huì)以接近光速的速度擴(kuò)張。隨著真空的擴(kuò)張，目前的物理學(xué)將被改寫，路徑上的原子和分子將灰飛煙滅。（不過不必恐慌，即使我們目前的真空真的只是亞穩(wěn)態(tài)，考慮到目前的穩(wěn)定性，它也會(huì)再持續(xù)幾十億年。）

在希格斯場(chǎng)潛在的可變性中，物理學(xué)家在近乎無窮多種方式之中發(fā)現(xiàn)了真空毀滅一切的第一種方式。

問題越多，真空越多。

當(dāng)各種場(chǎng)同時(shí)存在時(shí)，它們會(huì)相互作用，影響彼此的鐘擺，并建立新的公有狀態(tài)，在這種狀態(tài)下它們更穩(wěn)定。物理學(xué)家把這些真空想象成起伏的 " 能量大地 " 中凹陷的山谷。不同的擺角對(duì)應(yīng)不同的能量值，或 " 能量地面 " 的高度。一個(gè)場(chǎng)會(huì)傾向于降低它的能量，就像石頭會(huì)滾下山。最深的山谷是基態(tài)，但石頭可以停在相對(duì)高的山谷——至少保持一段時(shí)間。

幾十年前，這片 " 能量大地 " 的數(shù)目爆發(fā)了。物理學(xué)家波爾津斯基 ( Joseph Polchinski ) 和布索 ( Raphael Bousso ) 當(dāng)時(shí)正在研究弦理論，弦理論是描述量子引力的主要數(shù)學(xué)框架。弦理論只有在宇宙是 10 維的情況下才有效，而額外的維度會(huì)縮小到無法探測(cè)。波爾津斯基和布索在 2000 年計(jì)算出，這些額外的維度可以以多種方式折疊。每一種折疊方式都會(huì)形成一個(gè)符合自己物理定律的獨(dú)特真空。

弦理論允許出現(xiàn)無數(shù)真空的這一解釋，與近 20 年前的另一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)相吻合。

20 世紀(jì) 80 年代初，宇宙學(xué)家提出了一種被稱為宇宙膨脹的假說，它已成為宇宙誕生的主要理論。該理論認(rèn)為，宇宙開始于一次快速的指數(shù)膨脹，這很好地解釋了宇宙為什么如此平滑和巨大。但膨脹理論的成功是有代價(jià)的。

研究人員發(fā)現(xiàn)，宇宙暴脹一旦開始，就會(huì)持續(xù)下去。大部分真空會(huì)永遠(yuǎn)猛烈地向外爆炸。只有有限的空間區(qū)域會(huì)停止膨脹，成為相對(duì)穩(wěn)定的 " 氣泡 "，這些氣泡由于彼此之間的空間膨脹而分離。暴脹宇宙學(xué)家認(rèn)為，地球就處于其中一個(gè)氣泡中。

真空的多元宇宙

對(duì)一些人來說，我們生活在一個(gè)多元宇宙——一個(gè)由無數(shù)真空泡泡的組成的世界——中的觀念令人不安。它使任何一個(gè)真空（比如我們的）的本質(zhì)看起來是隨機(jī)的和不可預(yù)測(cè)的，抑制了我們理解宇宙的能力。波爾津斯基告訴物理學(xué)家兼作家霍森菲爾德 ( Sabine Hossenfelder ) ，發(fā)現(xiàn)弦理論的真空景象最初讓他非常痛苦，甚至接受了心理治療。如果弦理論預(yù)言了所有可以想象到的虛無，是否也就意味著預(yù)言了一切？

對(duì)其他人來說，過多的真空并不是問題；" 事實(shí)上，這是一件好事，" 斯坦福大學(xué)著名的宇宙學(xué)家林德 ( Andrei Linde ) 說，他也是宇宙暴脹理論的提出者之一。這是因?yàn)槎嘣钪婵赡?strong>解決了一個(gè)巨大的謎團(tuán)：我們這個(gè)真空具有的超低能量。

理論學(xué)家估計(jì)，當(dāng)宇宙中所有量子場(chǎng)集體振動(dòng)時(shí)，能量是巨大的——足以迅速加速空間的膨脹，并在短時(shí)間內(nèi)撕裂宇宙。但與之相比，實(shí)際觀察到的空間加速是極其溫和的，這表明，大部分集體振動(dòng)被抵消了，我們的真空的能量有一個(gè)非常低的正值。

在一個(gè)孤立的宇宙中，獨(dú)一無二的真空所含有的微小能量看起來像一個(gè)深?yuàn)W的謎題；但在多元宇宙中，這只是碰了運(yùn)氣。如果空間中不同的氣泡具有不同的能量，并以不同的速率膨脹，那么星系和行星只會(huì)在膨脹最慢的氣泡中形成。因此，我們平靜的真空環(huán)境并不比我們星球的適居軌道更神秘：我們?cè)谶@里發(fā)現(xiàn)自己，是因?yàn)槠渌蠖鄶?shù)地方都不適合生命生存。

不管你喜不喜歡，目前所理解的多元宇宙假說都存在一個(gè)問題。盡管弦理論似乎允許存在無數(shù)的真空，但到目前為止，還沒有人發(fā)現(xiàn)一個(gè)能量為小正值的微小額外維度折疊，與我們的真空一致。弦理論似乎更容易產(chǎn)生負(fù)能量真空。

也許弦理論并不正確，或者它的缺陷可能在于研究人員對(duì)它的理解不夠成熟。物理學(xué)家或許還沒有在弦理論中找到處理正真空能的正確方法。" 這完全有可能，" 普林斯頓高等研究院的物理學(xué)家塞伯格 ( Nathan Seiberg ) 說，" 這是一個(gè)熱點(diǎn)問題。"

或者我們的真空可能本身就隨意。" 流行的觀點(diǎn)是， [ 具有正能量的 ] 空間并不穩(wěn)定，" 塞伯格說，" 它可能會(huì)衰變，這可能也是很難理解它的物理理論的原因之一。"

這些研究人員懷疑，我們的真空不是現(xiàn)實(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)之一，有一天它會(huì)振動(dòng)進(jìn)入一個(gè)更深、更穩(wěn)定的山谷。這樣一來，我們的真空可能會(huì)失去或者產(chǎn)生某種粒子。緊密折疊的維度可以展開，甚至真空可能完全不再存在。

" 這是另一個(gè)選擇，" 哈洛說，" 一個(gè)真正的虛無。"

真空的終結(jié)

物理學(xué)家威騰 ( Edward Witten ) 在 1982 年首次發(fā)現(xiàn)了 " 虛無氣泡 "。在研究每一點(diǎn)都有一個(gè)額外維蜷縮成一個(gè)小圓圈的真空時(shí)，他發(fā)現(xiàn)，量子不穩(wěn)定性不可避免地會(huì)使額外維振動(dòng)，有時(shí)會(huì)使圓圈縮小到一個(gè)點(diǎn)。威騰發(fā)現(xiàn)，隨著維度化為烏有，它帶走了一切。這種不穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生一個(gè)迅速膨脹的真空氣泡，它鏡面般的表面標(biāo)志著時(shí)空本身的終結(jié)。

這種微小維度的不穩(wěn)定性長(zhǎng)期以來一直困擾著弦理論，人們?cè)O(shè)計(jì)了各種各樣的成分來使它們變得穩(wěn)定。去年 12 月，幾位科學(xué)家一起計(jì)算出了一個(gè)額外卷曲維度真空的壽命。他們考慮了各種各樣的把式來進(jìn)行穩(wěn)定，但發(fā)現(xiàn)大多數(shù)機(jī)制都無法阻止氣泡的產(chǎn)生和膨脹。他們的結(jié)論與威騰一致：當(dāng)額外維度的大小低于某個(gè)閾值時(shí)，真空立即坍縮。擴(kuò)展了更復(fù)雜的模型的類似計(jì)算或許可以排除弦理論中低于這個(gè)維度的真空。

但是，如果有了足夠大的隱藏維度，真空就可以維持億萬年。這意味著理論中的虛無氣泡可以與我們的宇宙很好地匹配。如果真的如此，亞里士多德可能比他自己以為的更正確。自然或許不怎么喜歡真空，在無限長(zhǎng)的尺度下，它可能根本什么都不喜歡。