“真空”是真的“空”嗎？

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？

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” 

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）