1643年,當托里拆利(Evangelista Torricelli)第一次把裝滿水銀的長玻璃管倒扣在同樣裝滿水銀的盆里,發現管中的水銀柱總是降到76cm高時,他意識到他在水銀柱上方創造了真空[1]。這可能是人類有記載的第一次在實驗室中創造的真空。真空里確實沒有空氣,但除此之外真的什么都沒有嗎?
○ 托里拆利實驗示意圖。| 圖片來源:[a]
前量子時代:以太論的提出與終結
19世紀的物理學家們并不這樣認為。1800年,托馬斯·楊(Thomas Young)通過雙縫干涉實驗證明了光是一種波。經驗告訴那時的人們,波的傳播需要介質——水波需要水才能傳播,而人與人對話時的聲波也依賴于空氣才能傳播。既然光可以在真空中傳播,那么真空中一定存在一種可以讓光傳播的介質。這種介質被稱為“以太(ether)”。
人們假設以太無處不在,絕對靜止。因此當我們相對于以太以不同的速度運動時,測量得到的光速理應不同。類比于水波,我們在平靜的河面上扔一塊石頭,激起的水波向我們運動的速度是v。那么如果河水以速度w朝向我們流來,這時再往河里扔一塊石頭,水波的速度就是v + w。這就是運動的相對性原理——一個從伽利略(Galileo Galilei)之后就深入人心的概念,也是經典力學的根基。
然而也正是這一推論導致了以太的終結。它起源于邁克爾遜(Albert Michelson)和莫雷(Edward Morley),完成于愛因斯坦。從1881年開始,邁克爾遜和莫雷等人在不同的時間和地點反復測量了光速,而測量得到的光速在誤差范圍內總是一樣的,并不隨地球的運動而變化。這一結果暗示以太可能并不存在[2]。1905年,在《論動體的電動力學》(Zur Elektrodynamik bewegter K?rper)這篇論文中,愛因斯坦首次徹底拋棄了以太的概念,直接提出光速不變原理,建立了狹義相對論。狹義相對論以最簡單的方式解釋了邁克爾遜-莫雷實驗,并給出了橫向多普勒效應(transverse Doppler effect)、高速運動粒子的半衰期延長等諸多理論預言。隨著這些預言在實驗上被逐一驗證,人們相信狹義相對論是正確的——以太并不存在。
所以看來真空中確實什么都沒有,就像它的名字里暗示的那樣是“真正的虛空”?答案并不是這么簡單。就像邁克爾遜-莫雷實驗對“真空中存在絕對靜止的以太”這一說法提出了挑戰一樣,量子理論的建立對“真空中什么都沒有”這一看法也提出了挑戰。
原子譜線:“真空” 可能不“空”
○ 氫原子的巴爾末譜線。| 圖片來源:[b]
證據來源于對原子譜線的觀察。早在19世紀,人們就已經發現加高電壓的氣體可以發光。氣體原子通過高電壓獲得了能量,再通過發光的方式釋放能量。這就是霓虹燈的基本原理。不同原子發射的光顏色不同,這些特定頻率的光構成了原子的發射光譜[3]。氫原子作為元素周期表中最簡單的原子,僅由一個質子和一個電子構成,其光譜被研究得最為廣泛。氫原子在可見光范圍內譜線的頻率最早由巴爾末(Johann Balmer)于1885年用一個經驗公式總結:
但當時的人們并不知道這公式背后的物理意義。直到1913年,玻爾模型首次成功解釋了這一公式(如果你不熟悉玻爾模型,請參考注釋[4])。但玻爾模型是一個半經典理論,面臨著各種困難。1926年,薛定諤(Erwin Schr?dinger)提出薛定諤方程,從完全量子力學的角度解釋了氫原子的光譜。電子受吸引的庫侖力被束縛在質子附近,處于“束縛態”(bound state)
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