虚无 - 存在吗？20

本系列文章预计会有30个章节，这套文献将系统讲物理学系统本身，这里是第九季第20篇

--预计阅读7min--

Hello，大家好，这里是Masir的物理学第九季专栏，本篇开始聊一个新东西 —— 量子虚无

作为一名物理学知识发烧友我一直都有一个这样的问题。

我们生活的地球空间里面肯定是基于分子原子上的，那么地球外的宇宙里会是啥？宇宙中没氧气就说明没有氧气分子，那就是什么都没有，请问这是虚无吗？会是一种什么样的感觉呢？

好，正篇开始~

大约2400年前，亚里士多德认为，完全的真空是永远不可能存在的，他坚信自然界憎恶真空！

而他的这一观点基于一个简单的实验：当你试图迅速从一个水桶中拉出一个杆子时，会遇到阻力，因为水试图填满那个被杆子占据的空间。然后亚里士多德进一步推断，如果存在真空，那么物体会在其中以无限的速度移动，因为没有空气或其他物质阻碍它。

图片版权归科学羊拥有

1277年，法国主教 Etienne Tempier 反击，宣称上帝可以做任何事，甚至创造真空。

这位德国科学家在1672年出版了一本关于真空的书，奥托·冯·格里克描述了他为费迪南德三世举行的一次演示，在演示中，一队队的马试图拉开一个充满真空的铜球，但没有成功。 （英国皇家天文学会/科学来源）

然后一个小小的科学家就成功了，一位叫奥托·冯·格里克的人发明了一种抽吸空气的泵，它可以从一个空心的铜球中吸取空气，这也许是地球上第一个高质量的真空。

在1654年的一次戏剧表演中，他展示了即使是两队马拼命撕开西瓜大小的球也无法克服任何东西的吸力（如上图）。

从那时起，真空好像已经成为物理学的基本概念，任何理论的基础，毕竟发现了新大陆。

我们回到现实

对于我们大多数人来说，真空的想法听起来是合理的。如果你拿一个容器，把它密封起来，然后把里面的东西都拿出来，看起来里面肯定什么都没有了。

但我们真的可以什么都不说吗？

不能，毕竟，里面可能还有能量，或者亚原子物质和粒子，只是我们看不到而已... 好，我们且先暂停到这个话题。

场的定义

在20世纪，物理学家们开始将现实视为场的集合，现代物理学的角度来看，我们所处的空间（以及时间）充满了各种场。这些场不仅存在于空间的每一个点，而且它们的振动和交互形成了我们所知的物质和力。

每一个场都与特定的粒子相对应。例如，电磁场与光子相对应，强核场与胶子相对应。当场在某个地方振动时，我们可以观察到相应的粒子。

但是物理学家发现宇宙的场是量子的，而不是经典的，这意味着这些场遵循量子力学的规律，而不是经典物理学的规律。

在经典物理学中，场（如电磁场）可以有任意的强度和配置，但在量子力学中，场的变化是离散的，或者说是“量子化”的。这意味着场的振动只能以特定的“量子”或“包裹”来发生。

这种量子化的性质在微观尺度上尤为明显，特别是当我们考虑到基本粒子和它们的相互作用时。例如，光子是电磁场的量子，它代表了电磁场的最小的、不可分割的振动。

量子场论是一个结合了量子力学和场论的理论，它为描述粒子和它们的相互作用提供了一个框架。在这个理论中，粒子被视为场的特定模式或振动。

因此，当我们说宇宙的场是量子的，我们是指这些场的行为和性质都是由量子力学来描述的，而不是经典物理学。

这也意味着它们在本质上是不确定的。你永远不可能捕捉到一个完全零能量的量子场。哈洛把量子场比作一系列的钟摆ーー在空间的每个点上都有一个钟摆ーー它们的角度代表量子场的值。每个钟摆几乎垂直下降，但来回抖动。

我们可以说，在量子力学中，没有所谓的完全静止。

你可能听说过海森堡不确定性原理，它是量子力学的基石之一。

这特别告诉我们，量子粒子位置的不确定性乘以动量的不确定性这是衡量粒子运动速度的一种方法这个量，这个乘积必须大于2 π 以上的普朗克常数？所以它不能是零，它必须大于一定的量。

在经典物理学中没有类比，就是量子粒子不可能，在某种程度上，完全静止。你可以想象一个钟摆来回摆动。

在经典物理学的思维模式中，你可以想象钟摆像是静止的，垂直垂下。当这种情况发生时，钟摆的动能为零。它没有移动它的势能为零因为它处于重力位的最小值。

如果我们考虑到量子力学的物理学，并且我们考虑钟摆的量子版本，结果是那种静止的状态是永远不可能实现的。

海森堡的不确定性原理告诉我们，如果我们试图将量子粒子定位在摆的最底部，那么它的动量和速度的不确定性需要很大。

所以，这个粒子围绕这个最小值，会有一些平均运动。相反，如果我们尝试使质点的运动，动量，非常小，它的位置会有很大的波动。所以平均来说，它会从最小值被大量取代。所以你要么有大量的动能，要么有大量的势能。

量子钟摆概念图*图片版权归科学羊拥有

你不能让这个量子钟摆的状态处于完全静止的状态就像你在经典力学中做的那样。

所以你已经可以看到，在量子力学中，这种静止的概念，零能量的概念，就像什么都没有发生一样，是没有意义的。

这就是所谓的量子系统的零点能量。量子系统的能量可以减少到一定程度的最小能量，而且这个数字不是零。

总结：

综合来看，虚无存不存在其实这是一个哲学问题，从物理角度来看，虚无并不同于真空。如上所述，真空中仍然存在量子涨落和虚粒子。

我们暂且也不用挖那么深，知道仅此就够啦！

好，今天就先这样啦~

Masir - 2023/10/13

于 东莞

祝幸福~

参考文献：How the Physics of Nothing Underlies Everything | Quanta Magazine

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