2023年12月11日，《自然》杂志发布了一项重磅研究，打破了我们对物理世界的固有认知：声音竟然能够在真空中传播！
这一发现显然与我们从中学物理课本上学到的知识大相径庭。课本中明确指出，声音需要依赖介质才能传播，因此在真空中是无法传递声音的。
到了高中，课本对声音的解释更为深入，指出声音本质上是物质分子振动形成的波动，而真空没有物质，当然就无法传递声波。
实验结果从根本上了这一理论。那么，难道是我们的课本错了吗？
我们常常认为真空是完全没有物质的空旷空间，但在量子物理的世界里，没有任何事情是显而易见的。
那么，真空究竟包含了什么？它与声音如何在其中传播之间，又有什么关联呢？让我们从量子力学的角度，来揭开这个看似荒诞的谜题。其实，真空中不仅蕴能够传递声音的元素，还能解释壁虎如何在墙上爬行，甚至与霍金辐射（辐射）有着千丝万缕的联系。
量子场论的起源：弹簧与小球的奇妙世界
大约一个世纪前，物理学家们已经意识到，原子中的电子在吸收能量后，会跃升到更高的能级；当电子回到低能状态时，它会通过释放电磁波的方式释放掉多余的能量，这种波被称为光子。
这种现象类似于一个人吃了葡萄后吐出葡萄皮——平淡无奇。科学家们却发现，电子有时并不需要吸收能量，便会主动释放光子，这一现象被称为“自发发射”。这让人觉得有些神秘，因为它类似于一个人明明没有吃葡萄，却依然吐出了葡萄皮。
1927年，伟大的物理学家保罗·狄拉克提出了解释。他认为，真空看似空无一物，但实际上充满了微小的量子对，这些“葡萄”和“葡萄皮”对瞬间诞生又迅速消失，它们几乎是同时出现和消失的，因此我们看不到它们。
狄拉克的理论就像是一个荒诞的假设：想象一下，一个“葡萄-葡萄皮”的对子在你嘴边出现，恰好你吃了一个葡萄，那么真空中的葡萄皮就留了下来——尽管你没吃任何东西，真空“投喂”给了你一颗葡萄，而你只看到剩下的葡萄皮。
这一假说成功地解释了电子的自发发射，并经过一系列修正后，最终发展成了今天我们所熟知的量子场论。
量子场论的核心思想是：对于任何物质或能量，都有一个与之对应的场。例如，光子与电磁场相对应，电子与电子场相对应。可以把这些场想象成由无数个小球组成的网，每个场充满了整个空间。
每个小球与其他小球通过弹簧相连，不断地进行振动。科学家称这种振动为“涨落”。如果这种涨落过于剧烈，弹簧会断裂，从而产生自由的小球。举个例子，电子场的涨落可能会导致电子的产生，而水波的涨落则可能产生水珠。
这些自由的小球会迅速回归到原来的场中，整个空间中看似没有自由的小球，但它们却在不断产生和消失，从而维持了空间的平衡。
卡西米尔效应：真空的惊人力量
新理论的提出总会伴随着科学家们急于验证的渴望。1948年，荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔通过理论计算，找到了验证量子场论的一个途径，这一现象被称为卡西米尔效应。
假设我们在一个真空空间中放置两个平行的金属板。由于板间的空间较小，相比板外的空间，板间的量子场中小球的数量会少一些。按照量子场论，板间的小球对板的冲击力会小于外部小球的冲击力，这两片金属板将会受到外界的挤压力。
这一理论很快得到了实验证实。科学家们发现，在真空中，金属板确实会受到真空的挤压力，这就意味着真空并非真正的“空无一物”——它充满了能量和小球。
根据爱因斯坦的质能等价原理，真空中的小球意味着真空中存在着非零的能量，这就是零点能。虽然我们平时感受不到零点能的作用，但它并非无足轻重。当金属板之间的距离缩小到仅有10纳米时，真空的零点能就能产生大气压级别的挤压力。这也是在设计高端芯片和航天器时，必须考虑的一个重要因素。
真空中的声音：突破常规的传播方式
根据量子场论的观点，任何物质和能量都有其对应的场，那么声音作为一种振动能量，也同样可以对应一个能量场。设想一下，在两个真空中的金属板之间，如果施加振动能量，这种能量就会与板间的振动场发生相互作用，从而引起另一片板的振动，这就是声音的卡西米尔效应。
也就是说，声音不仅可以穿越真空，还可以在其中传播。这一现象表明，热量作为一种振动能量，也能穿越真空。换句话说，声音和热量都能够在真空中传播。
虽然这一效应在理论上是可以预见的，但由于它十分微弱，观测起来相当困难。经过巧妙设计的实验装置，加州大学伯克利分校的Zhanglab团队成功地观测到了声音在真空中的传播现象。
这一突破再次验证了量子场论的核心观点：“真空并非空无一物”，并进一步证明了“万物皆场”的理论。
霍金辐射与壁虎的爬墙之谜
接下来，我们将这些量子场论的概念与两个令人的现象结合：辐射和壁虎如何爬墙。
霍金辐射的原理与真空不空的思想密切相关。霍金提出，的引力强大到甚至连光也无法逃脱。在的边缘，量子场的涨落可能会生成一对正负粒子，其中一个粒子可能会逃逸，另一个则被吞噬。逃逸的粒子会带走的一部分质量，从而导致逐渐消失，这就是著名的霍金辐射。
这一理论改变了人们对“只进不出”的传统看法，是霍金在理论物理领域的重大贡献之一。
而壁虎如何轻松地挂在墙上，也是卡西米尔效应的一种体现。壁虎脚上的细毛与墙壁之间的微小距离，仅为纳米级别。正如我们之前提到的，两个物体之间的微小间隙能够产生显著的卡西米尔效应，从而产生强大的吸引力，帮助壁虎稳稳地贴在墙上。
尽管壁虎并不懂量子场论，但大自然的规律却无处不在，它无所不知，也无所不精妙。
这再次证明了，自然界的智慧无时无刻不在挑战我们对世界的认知极限。