12月11日，《自然》杂志报道了一项足以撕掉全世界物理课本的研究：声音能够在真空里传播！

我们初中的物理课本说：声音的传播是需要介质的，所以真空中是无法传播声音的。

到高中之后，我们的物理书又进一步解释道：声音的本质是物质分子的振动所引起的一种波，因为真空是空的，当然也就没有物质分子的振动，所以振动的声波就传不过去。

实验事实是不会错的，那么我们的教科书错了吗？

其实在上面这段话里，我们“理所应当”地认为真空是全空的。但是，在量子世界里，没有任何事情是理所应当的。

那么，真空里到底有什么？这和声音在真空中传播有什么关系？

别急，我们马上就来说一说关于“真空不空”的故事。在这个故事里，我们将会看到，真空里的东西不但能传播声音，还是让壁虎能够趴在墙上的原因，更是大名鼎鼎的霍金辐射（也称黑洞辐射）的源头。

弹簧与小球：量子场论的缘起

约100年前，人们已经知道，原子中的电子如果吸收能量，那么自己的能量就会升高；如果想跳回原来的状态，必须要通过释放一份电磁波的形式来释放能量，这份波被爱因斯坦称为光子。

这个现象就好比人如果吃了葡萄，那么他可以吐出一个葡萄皮，比较平淡无奇。

但人们还发现，有时电子不用吸收能量，也会主动释放光子，这一现象叫做自发发射。这就类似一个人没有吃葡萄，但是也能吐葡萄皮，这个现象就比较诡异。

1927年，物理学的一代宗师狄拉克给出了一个解释。他认为：真空中虽然看起来没有葡萄也没有葡萄皮，但这只是表面现象。真空中存在着许多的“葡萄-葡萄皮”组成的对子，它们产生得很快，消失得也很快，差不多同时发生，使得真空表现得像是没有葡萄一样。

现在假想一个“葡萄-葡萄皮”对子出现在你嘴边，此时恰好葡萄掉进了你的嘴里，于是你吸收了一个葡萄，而真空中就剩下了一个葡萄皮。所以看起来就好像你虽然没吃任何东西却吐了一个葡萄皮一样，只不过这个葡萄是真空投喂给你的，我们只观察到了剩下的皮而已。

玻尔曾说：“在所有的物理学家中，狄拉克拥有最纯洁的灵魂。”狄拉克坚持认为物理方程应该拥有完美的数学形式，并以此信条来指导自己的研究。对于“丑陋”数学的拒绝使他后来的研究逐渐偏离了主流。图为1930年前后的狄拉克（图片来源：维基百科）

这一假说由于完美解释了自发发射而获得了成功。经过一系列修正和重塑（尤以杨振宁教授的大师之作——杨-米尔斯理论最为重要）之后，这套理论发展为后来的量子场论。

其主要观点也很简单：首先，对于任何物质（或能量）来说，都有一个与之对应的“场”，例如光子对应电磁场，电子对应电子场。场可以看作是由许多被弹簧连着的小球组成的，每个场都充满着整个空间。

注释：如何理解此处的“任何”二字呢？这里的任何是可以在字面意义上来理解的。例如，对象对应着对象场，头发对应着头发场。按照量子场论，真空中电磁场涨落能够产生光子，电子场涨落可以创造电子，对象场的涨落是可以创生出对象的，而头发场的涨落是可以创造头发的。先别高兴得太早——物质越大，产生的概率就越小。连电子产生的概率都已经无限接近于零了，就不要妄想获得头发和对象了。

（图片来源：新浪微博）

然后，由于弹簧的存在，所以每个小球都在不停振动，科学家称之为“涨落”。如果这个振动太剧烈使得弹簧被拉断，那么就会得到自由的小球。例如，电子场的涨落可以产生一个电子。

水波的涨落可以偶尔产生一个水珠，而这个水珠又快速落回水波里，场的涨落产生粒子的过程与此类似

（图片来源：http://bostonreview.net/）

最后，自由小球重新回到小球阵列中。自由小球不断地从空间中快速产生又消失，从而使得空间中整体而言不存自由的小球，维持一个整体的平衡。

卡西米尔效应

每个新理论出现之后，科学家总是急于寻找验证它的方法。1948年，荷兰理论物理学家卡西米尔通过纯理论计算找到了一种验证上述理论的方法，这就是著名的卡西米尔效应。

设想有一个大的真空空间，其中有两个平行金属板。由于两板之间的空间相对于板外来说比较小，因此如果量子场论是正确的，那么板间的场里含有的小球数应该少于板外空间。那么，板间的小球对板的撞击力应该小于板外小球对板的撞击力，所以板会受到外界的挤压力。

很快，这一理论预测的现象就被观测到了。在真空中的平行金属板受到了真空施加的挤压力。

也就是说，真空里确实有很多小球！真空不是空的！