兩千多年前，亞里士多德宣稱，由于物體會在真空中以 " 不可能 " 的速度穿行，因此自然界不存在真空。1277 年，法國主教艾蒂安 · 坦皮爾（Etienne Tempier）反駁說上帝無所不能，甚至可以創(chuàng)造真空。

之后，一個科學家成功創(chuàng)造出了真空。德國科學家馮 · 格里克（Otto von Guericke）用一個自制的泵抽出了銅制球殼中的空氣。這或許是地球上第一個高質(zhì)量真空環(huán)境。在他 1654 年的一次展出中，即使是兩個馬隊也無法拉開被真空吸在一起的西瓜大小的兩個半球。

自那時起，真空就成了物理學的一個基礎概念、成了其他理論的基礎。馮 · 格里克的真空是不存在空氣；電磁學意義上的真空是不存在能使光減速的介質(zhì)；引力的真空是不存在能使空間彎曲的物質(zhì)和能量。在不同例子中，真空的具體含義取決于物理學家想要描述的事物類型。" 有時，這就是我們構(gòu)建一個理論的方式。" 伊利諾伊大學的理論物理學家德拉佩（Patrick Draper）說。

當現(xiàn)代物理學家在努力為自然終極理論尋找更復雜的假說時，他們遇到了越來越多種類的真空。每種真空都有自己的特征，就像一種物質(zhì)的不同存在狀態(tài)一樣。越來越多的人認為，了解宇宙起源和未來命運的關鍵可能是仔細地考量這些不斷增多的 " 不存在 " ——也就是真空的類型。

《真空的力量》：1672 年，德國科學家馮 · 格里克寫了一本關于真空的書，書中描述了他給皇帝費迪南德三世 ( Emperor Ferdinand III ) 做的一次展示，兩隊馬試圖將一個抽成真空的銅球殼分成兩半，但沒有成功。圖像來源：Royal Astronomical Society / Science

" 關于真空，還有很多未解之謎。" 加州卡弗里理論物理研究所的粒子物理學家加西亞 ( Isabel Garcia Garcia ) 說，" 到底還有多少是我們不知道的？"

到目前為止，關于真空的研究得出了一個戲劇性的結(jié)論：我們的宇宙可能坐落在一個劣質(zhì)的基礎——" 亞穩(wěn)態(tài) " 的真空之上，這個真空注定在遙遠的未來變成另一種空無，而一切都將在這個過程中被毀滅。

量子真空

二十世紀，當物理學家開始將用場的觀點來看待現(xiàn)實世界時，一切都變得不那么簡單了：物理量在空間的每一點上都有一個值（比如，電場用來描述空間的某一點上電子會受到多大的力）。在經(jīng)典物理中，場的值可以在任意點為零，它不產(chǎn)生影響，也不含有能量。麻省理工學院的理論物理學家哈洛 ( Daniel Harlow ) 說：" 經(jīng)典意義上真空很無聊，什么也沒在發(fā)生。"

但是物理學家發(fā)現(xiàn)，宇宙中的場是量子而非經(jīng)典的，這意味著它們在本質(zhì)上是不確定的。不存在能量精確為零的量子場。哈洛把量子場比作一組分布在空間每一點上的鐘擺——它們擺動的角度代表場的數(shù)值。每個鐘擺都在最低點附近微微擺動。

如果不加干涉，量子場將處于其能量最低的狀態(tài)，也就是所謂的 "基態(tài)" 或者 "真空態(tài)"。（基本粒子是場受擾動產(chǎn)生的波紋。）" 真空其實是一個系統(tǒng)的首選狀態(tài)，" 加西亞說。

我們宇宙中絕大多數(shù)量子場都有且僅有一個基態(tài)，在基態(tài)下它們會永遠保持穩(wěn)定。當然，只是絕大多數(shù)場，而不是所有。

真假真空

在上世紀七十年代，物理學家開始意識到另一類量子場的重要性。它們的值，甚至平均值，都不是零。這樣的一個 " 標量場 " 像是許多以固定的特定角度——比如 10 度——傾斜的鐘擺組成的。這種狀態(tài)可以是基態(tài)：這些鐘擺更傾向于停在這個角度，此時它們是穩(wěn)定的。

2012 年，實驗物理學家在大型強子對撞機上證實宇宙中存在一種叫做 "希格斯場" 的標量場。在炙熱的早期宇宙中，希格斯場的鐘擺起初指向正下方。但隨著宇宙逐漸冷卻，希格斯場的狀態(tài)發(fā)生了變化，就像水變成冰一樣，它的鐘擺都偏離正下并上升到了一個相同的角度。（這個非零的希格斯場為許多基本粒子賦予了質(zhì)量。）

如果周圍有希格斯場，那么真空并不是絕對穩(wěn)定。一個場的鐘擺或許會有許多亞穩(wěn)態(tài)的角度，并可能從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N。比如，理論家們就還不確定希格斯場是否處于它最穩(wěn)定的狀態(tài)——真正的真空。一些人認為，盡管希格斯場目前的狀態(tài)據(jù)研究維持了 138 億年，但它只是暫時穩(wěn)定，或者說 "處于亞穩(wěn)態(tài)"。

如果真的如此，那么美好的時光就不會一直持續(xù)下去。在二十世紀八十年代，物理學家科爾曼和德盧西亞描述了希格斯場的偽真空態(tài)是如何 " 衰變 " 的。在某個時刻，如果一些位置上足夠多的鐘擺擺動到了真正的真空——或者說虛無——所對應的更有利于穩(wěn)定的角度，它們就會將它們的鄰居拖到相同的角度，然后這個局域的真空會以接近光速的速度擴張。隨著真空的擴張，目前的物理學將被改寫，路徑上的原子和分子將灰飛煙滅。（不過不必恐慌，即使我們目前的真空真的只是亞穩(wěn)態(tài)，考慮到目前的穩(wěn)定性，它也會再持續(xù)幾十億年。）

在希格斯場潛在的可變性中，物理學家在近乎無窮多種方式之中發(fā)現(xiàn)了真空毀滅一切的第一種方式。

問題越多，真空越多。

當各種場同時存在時，它們會相互作用，影響彼此的鐘擺，并建立新的公有狀態(tài)，在這種狀態(tài)下它們更穩(wěn)定。物理學家把這些真空想象成起伏的 " 能量大地 " 中凹陷的山谷。不同的擺角對應不同的能量值，或 " 能量地面 " 的高度。一個場會傾向于降低它的能量，就像石頭會滾下山。最深的山谷是基態(tài)，但石頭可以停在相對高的山谷——至少保持一段時間。

幾十年前，這片 " 能量大地 " 的數(shù)目爆發(fā)了。物理學家波爾津斯基 ( Joseph Polchinski ) 和布索 ( Raphael Bousso ) 當時正在研究弦理論，弦理論是描述量子引力的主要數(shù)學框架。弦理論只有在宇宙是 10 維的情況下才有效，而額外的維度會縮小到無法探測。波爾津斯基和布索在 2000 年計算出，這些額外的維度可以以多種方式折疊。每一種折疊方式都會形成一個符合自己物理定律的獨特真空。

弦理論允許出現(xiàn)無數(shù)真空的這一解釋，與近 20 年前的另一項發(fā)現(xiàn)相吻合。

20 世紀 80 年代初，宇宙學家提出了一種被稱為宇宙膨脹的假說，它已成為宇宙誕生的主要理論。該理論認為，宇宙開始于一次快速的指數(shù)膨脹，這很好地解釋了宇宙為什么如此平滑和巨大。但膨脹理論的成功是有代價的。

研究人員發(fā)現(xiàn)，宇宙暴脹一旦開始，就會持續(xù)下去。大部分真空會永遠猛烈地向外爆炸。只有有限的空間區(qū)域會停止膨脹，成為相對穩(wěn)定的 " 氣泡 "，這些氣泡由于彼此之間的空間膨脹而分離。暴脹宇宙學家認為，地球就處于其中一個氣泡中。

真空的多元宇宙

對一些人來說，我們生活在一個多元宇宙——一個由無數(shù)真空泡泡的組成的世界——中的觀念令人不安。它使任何一個真空（比如我們的）的本質(zhì)看起來是隨機的和不可預測的，抑制了我們理解宇宙的能力。波爾津斯基告訴物理學家兼作家霍森菲爾德 ( Sabine Hossenfelder ) ，發(fā)現(xiàn)弦理論的真空景象最初讓他非常痛苦，甚至接受了心理治療。如果弦理論預言了所有可以想象到的虛無，是否也就意味著預言了一切？

對其他人來說，過多的真空并不是問題；" 事實上，這是一件好事，" 斯坦福大學著名的宇宙學家林德 ( Andrei Linde ) 說，他也是宇宙暴脹理論的提出者之一。這是因為多元宇宙可能解決了一個巨大的謎團：我們這個真空具有的超低能量。

理論學家估計，當宇宙中所有量子場集體振動時，能量是巨大的——足以迅速加速空間的膨脹，并在短時間內(nèi)撕裂宇宙。但與之相比，實際觀察到的空間加速是極其溫和的，這表明，大部分集體振動被抵消了，我們的真空的能量有一個非常低的正值。

在一個孤立的宇宙中，獨一無二的真空所含有的微小能量看起來像一個深奧的謎題；但在多元宇宙中，這只是碰了運氣。如果空間中不同的氣泡具有不同的能量，并以不同的速率膨脹，那么星系和行星只會在膨脹最慢的氣泡中形成。因此，我們平靜的真空環(huán)境并不比我們星球的適居軌道更神秘：我們在這里發(fā)現(xiàn)自己，是因為其他大多數(shù)地方都不適合生命生存。

不管你喜不喜歡，目前所理解的多元宇宙假說都存在一個問題。盡管弦理論似乎允許存在無數(shù)的真空，但到目前為止，還沒有人發(fā)現(xiàn)一個能量為小正值的微小額外維度折疊，與我們的真空一致。弦理論似乎更容易產(chǎn)生負能量真空。

也許弦理論并不正確，或者它的缺陷可能在于研究人員對它的理解不夠成熟。物理學家或許還沒有在弦理論中找到處理正真空能的正確方法。" 這完全有可能，" 普林斯頓高等研究院的物理學家塞伯格 ( Nathan Seiberg ) 說，" 這是一個熱點問題。"

或者我們的真空可能本身就隨意。" 流行的觀點是， [ 具有正能量的 ] 空間并不穩(wěn)定，" 塞伯格說，" 它可能會衰變，這可能也是很難理解它的物理理論的原因之一。"

這些研究人員懷疑，我們的真空不是現(xiàn)實的穩(wěn)定狀態(tài)之一，有一天它會振動進入一個更深、更穩(wěn)定的山谷。這樣一來，我們的真空可能會失去或者產(chǎn)生某種粒子。緊密折疊的維度可以展開，甚至真空可能完全不再存在。

" 這是另一個選擇，" 哈洛說，" 一個真正的虛無。"

真空的終結(jié)

物理學家威騰 ( Edward Witten ) 在 1982 年首次發(fā)現(xiàn)了 " 虛無氣泡 "。在研究每一點都有一個額外維蜷縮成一個小圓圈的真空時，他發(fā)現(xiàn)，量子不穩(wěn)定性不可避免地會使額外維振動，有時會使圓圈縮小到一個點。威騰發(fā)現(xiàn)，隨著維度化為烏有，它帶走了一切。這種不穩(wěn)定性會產(chǎn)生一個迅速膨脹的真空氣泡，它鏡面般的表面標志著時空本身的終結(jié)。

這種微小維度的不穩(wěn)定性長期以來一直困擾著弦理論，人們設計了各種各樣的成分來使它們變得穩(wěn)定。去年 12 月，幾位科學家一起計算出了一個額外卷曲維度真空的壽命。他們考慮了各種各樣的把式來進行穩(wěn)定，但發(fā)現(xiàn)大多數(shù)機制都無法阻止氣泡的產(chǎn)生和膨脹。他們的結(jié)論與威騰一致：當額外維度的大小低于某個閾值時，真空立即坍縮。擴展了更復雜的模型的類似計算或許可以排除弦理論中低于這個維度的真空。

但是，如果有了足夠大的隱藏維度，真空就可以維持億萬年。這意味著理論中的虛無氣泡可以與我們的宇宙很好地匹配。如果真的如此，亞里士多德可能比他自己以為的更正確。自然或許不怎么喜歡真空，在無限長的尺度下，它可能根本什么都不喜歡。