聲音可以在真空中傳播？物理課本又要改寫了
聲音在真空中能傳播嗎
出品：科普中國
製作：牟福朋
監製：中國科學院計算機網路資訊中心
上週，12月11日，《自然》雜誌報道了一項足以撕掉全世界物理課本的研究：
聲音能夠在真空裡傳播！
我們初中的物理課本說：聲音的傳播是需要介質的，所以真空中是無法傳播聲音的。
到高中之後，我們的物理書又進一步解釋道：聲音的本質是物質分子的振動所引起的一種波，因為真空是空的，當然也就沒有物質分子的振動，所以振動的聲波就傳不過去。
實驗事實是不會錯的，那麼我們的教科書錯了嗎？
其實在上面這段話裡，
我們“理所應當”地認為真空是全空的。但是，在量子世界裡，沒有任何事情是理所應當的。
那麼，真空裡到底有什麼？這和聲音在真空中傳播有什麼關係？
別急，我們馬上就來說一說關於“真空不空”的故事。在這個故事裡，我們將會看到，真空裡的東西不但能傳播聲音，還是讓壁虎能夠趴在牆上的原因，更是大名鼎鼎的霍金輻射（也稱黑洞輻射）的源頭。
1。彈簧與小球：量子場論的緣起
約100年前，人們已經知道，原子中的電子如果吸收能量，那麼自己的能量就會升高；如果想跳回原來的狀態，必須要透過釋放一份電磁波的形式來釋放能量，這份波被愛因斯坦稱為
光子
。
這個現象就好比人如果吃了葡萄皮，那麼他可以吐出一個葡萄皮，比較平淡無奇。
但人們還發現，
有時電子不用吸收能量，也會主動釋放光子，這一現象叫做自發發射。
這就類似一個人沒有吃葡萄皮，但是也能吐葡萄皮，這個現象就比較詭異。
1927年，物理學的一代宗師狄拉克給出了一個解釋。他認為：
真空中雖然看起來沒有葡萄也沒有葡萄皮，但這只是表面現象。
真空中存在著許多的“葡萄-葡萄皮”組成的對子，它們產生得很快，消失得也很快，差不多同時發生，使得真空表現得像是沒有葡萄一樣。
現在假想一個“葡萄-葡萄皮”對子出現在你嘴邊，此時恰好葡萄掉進了你的嘴裡，於是你吸收了一個葡萄，而真空中就剩下了一個葡萄皮。所以看起來就好像你雖然沒吃任何東西卻吐了一個葡萄皮一樣，只不過這個葡萄是真空投餵給你的，我們只觀察到了剩下的皮而已。
▲玻爾曾說：“在所有的物理學家中，狄拉克擁有最純潔的靈魂。”狄拉克堅持認為物理方程應該擁有完美的數學形式，並以此信條來指導自己的研究。對於“醜陋”數學的拒絕使他後來的研究逐漸偏離了主流。圖為1930年前後的狄拉克。（圖片來源：維基百科）
這一假說由於完美解釋了自發發射而獲得了成功。經過一系列修正和重塑（尤以楊振寧教授的大師之作——楊-米爾斯理論最為重要）之後，這套理論發展為後來的
量子場論
。
其主要觀點也很簡單：首先，
對於任何物質（或能量）來說，都有一個與之對應的“場”
，例如光子對應電磁場，電子對應電子場。場可以看作是由許多被彈簧連著的小球組成的，每個場都充滿著整個空間。
註釋：
如何理解此處的“任何”二字呢？這裡的任何是可以在字面意義上來理解的。例如，物件對應著物件場，頭髮對應著頭髮場。按照量子場論，真空中電磁場漲落能夠產生光子，電子場漲落可以創造電子，物件場的漲落是可以創生出物件的，而頭髮場的漲落是可以創造頭髮的。先別高興得太早——物質越大，產生的機率就越小。連電子產生的機率都已經無限接近於零了，就
不要妄想獲得頭髮和物件了。
圖片來源於新浪微博
然後，
由於彈簧的存在，所以每個小球都在不停振動，科學家稱之為“漲落”
。如果這個振動太劇烈使得彈簧被拉斷，那麼就會得到自由的小球。例如，電子場的漲落可以產生一個電子。
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▲水波的漲落可以偶爾產生一個水珠，而這個水珠又快速落回水波里，場的漲落產生粒子的過程與此類似。（圖片來源：http：//bostonreview。net/books-ideas/matthew-buckley-search-new-physics-cern-part-2）
最後，自由小球重新回到小球陣列中。自由小球不斷地從空間中快速產生又消失，從而使得
空間中整體而言不存自由的小球
，維持一個整體的平衡。
2。卡西米爾效應
每個新理論出現之後，科學家總是急於尋找驗證它的方法。
1948年，荷蘭理論物理學家卡西米爾透過純理論計算找到了一種驗證上述理論的方法，這就是著名的
卡西米爾效應
。
設想有一個大的真空空間，其中有兩個平行金屬板。由於兩板之間的空間相對於板外來說比較小，因此如果量子場論是正確的，那麼板間的場裡含有的小球數應該少於板外空間。那麼，板間的小球對板的撞擊力應該小於板外小球對板的撞擊力，所以板會受到外界的擠壓力。
很快，這一理論預測的現象就被觀測到了。
在真空中的平行金屬板受到了真空施加的擠壓力。
也就是說，真空裡確實有很多小球！真空不是空的！
▲由於板間的場漲落產生的粒子少，因此會感受到外面空間產生的壓力，這就是卡西米爾效應。（圖片來源：https：//skepticalinquirer。wordpress。com/2015/08/05/casimir-effectefek）
根據狹義相對論，物質和能量的本質是一樣的，真空中有很多小球，就意味著真空中有不為零的能量。科學家能夠計算出真空中能量的數值，稱之為
零點能
。
可不要小看零點能哦，雖然平時我們感受不到它的作用，但是當兩個金屬板距離很近的時候（例如10奈米左右），真空零點能能夠在金屬板上施加約1個大氣壓的壓強。因此在高階計算機晶片或者航天器設計過程中，必須考慮卡西米爾效應的影響。
3。聲音穿過了真空
量子場論認為，所有的物質和能量都可以對應一個真空中的場，那麼聲音作為一種振動能量，也可以對應一個振動能量的場。
讓我們再次考慮兩個真空中的平行金屬板，它們之間存在上述的振動能量場。如果在一個板上施加振動能量，這個能量會和板間的振動能量場發生互動，從而引起另一片金屬板的振動，這便是
聲音的卡西米爾效應
。也就是說，聲音可以透過真空傳播。在微觀層面上，分子振動也是一種熱現象，因此聲音能穿過真空而傳播，也就意味著熱量也可以跨越真空而傳播。
註釋：
熱量傳遞的方式有熱傳導、熱對流和熱輻射，其中傳導和對流是需要介質的，輻射不需要介質，但是能量是以電磁波的形式傳播的。本實驗中證明的熱量跨越真空傳播，並非透過輻射形式而傳播，是真正意義上的熱量不需要介質而傳播。
雖然理論上可以預測該效應，但是由於它十分微弱，所以觀測是很困難的。加州大學伯克利分校的Zhang lab在巧妙設計的實驗裝置的幫助下，
首次觀測到了聲音在真空中傳播的現象
，也即本文開頭處所提到的研究成果。
這再次證明了量子場論的主要觀點：“真空不空”和“萬物皆場”
。
▲當兩個金屬板間的距離小於500奈米時，能夠觀察到高溫物體的溫度（T2）減小而低溫物體的溫度（T1）增加，也就是說熱量（振動能量，也就是聲音的能量）跨越了真空而傳播。實驗排除了對流和輻射的干擾。（圖片來源：參考文獻1）
4。黑洞與壁虎
為什麼霍金說黑洞會發出輻射？壁虎又為什麼能夠掛在牆上？這都跟我們今天講的量子場論和卡西米爾效應有關。
霍金利用真空不空的原理預言了黑洞輻射的存在。
他的主要觀點為：黑洞是一種光速都無法逃離其引力的天體。我們考慮黑洞邊緣的空間，由於場的漲落，有可能產生一對正反物質小球。由於量子力學的測不準原理，這對小球的速度有可能超過光速。此時若反物質小球落入黑洞，那麼正物質小球就有可能掙脫黑洞的束縛而飛出。落入黑洞的反物質小球和黑洞內其它的正物質小球重新結合而使得黑洞的質量減少。那麼總的結果就是：
黑洞質量減少，同時放出了一個正物質小球。這就是黑洞輻射的原理。
該理論打破了人們印象中黑洞“只進不出”的形象，具有劃時代的意義，也是霍金的史詩級成果之一。
註釋：
關於超光速的問題，狹義相對論只是論證了“物體無法透過加速的方式達到光速”，但並未限制物體誕生時的速度可以超過光速。否則的話，連光本身也不能達到光速了。
？▲如圖，成對出現的粒子中，如果有一個落入黑洞而另一個逃離黑洞，逃離的那個粒子就成為黑洞輻射。（圖片來源：https：//www。physics-astronomy。org/2017/04/physicists-created-black-hole-in-lab。html）
更讓人意想不到的是，
小小的壁虎竟然也能夠利用卡西米爾效應來爬牆。
壁虎的腳上有數萬根剛毛，每一根都極其細小，小到每根剛毛和牆壁間的距離都只有奈米級。前面我們提到過，如果兩個板的間距很小，那麼卡西米爾效應可以施加非常可觀的壓力將兩個板壓在一起。所以，壁虎腳上的數萬組卡西米爾效應將它掛在牆上。
註釋：
通常，壁虎爬牆被解釋為是由於剛毛和牆壁之間的範德華力。範德華力是卡西米爾效應的微觀角度描述，是分子尺度的卡西米爾效應，二者等價。
？▲壁虎腳上數奈米大小的帽狀結構，為壁虎提供了足夠的卡西米爾效應力。
（圖片來源：https：//www。pinterest。com/pin/238761217724719845/？lp=true）
壁虎雖然不懂量子場論，但偉大的自然界卻是無所不知的。在美麗而又精妙的自然介面前，無人敢稱全知，無人敢稱偉大。
註釋：
為方便理解，本文對複雜的概念在不影響正確性的基礎上進行了具象或簡化處理，若需獲得詳細的解釋，請諮詢專門人士或後臺聯絡作者。
參考文獻：
Fong， K。Y。， Li， H。， Zhao， R。 et al。 （2019）。 Phonon heat transfer across a vacuum through quantum fluctuations。 Nature 576， 243–247
Nikoli？， Hrvoje （10 October 2016）。 Proof that Casimir force does not originate from vacuum energy。 Physics Letters B。 761： 197–202。
Spagnolo， S。 （2007）。 Casimir-Polder interatomic potential between two atoms at finite temperature and in the presence of boundary conditions。 Physical Review A。 76 （4）： 042112。
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