真空，谁都知道并非真的空无一物，它是衬托、影响世界万物运动变化的物质背景。对于真空的复杂性，恐怕还鲜为人知或知之不详；专业人员大多觉得这是一个解不开的难题。

真空，早就被认作物理学的基本概念之一；随着物理学的发展，此概念自然在不断地演变。在量子场理论中，它已成为十分重要的角色；特别是对于场理论的统一性探讨，因其围绕对称性以及对称性破缺而展开，就更离不开这个概念了。

经典真空和量子真空

本文讨论的真空，实为物理真空的简称。这真空概念有经典和量子之分，暂且名其曰“经典真空”和“量子真空”，乃分别属于经典物理和量子物理的概念范畴。

在一些经典场理论里，都有“以太”这个名称，其实它往往就是指其中充满了物质场的“真空”空间。比如经典电磁场理论将机械以太介质作为电磁场的载体；这以太被人为地套上许多机械性质，由其弥漫着的空间当然一点也不空。狭义相对论否定了机械以太假设，把电磁场当作一种独立存在的物质运动形式；然而，四维相对时空作为场和粒子运动变化的运动学框架，似乎只有几何学的意义，虽然它因物质运动而改变，但毕竟未等同于场本身。对于这样的时空概念，爱因斯坦不甚满意。他悟出：摒弃了机械以太，但不能同时把以太概念完全抛掉；故而他在广义相对论中重新将其引入，谓之“广义相对论以太”，按照爱氏贯穿于该理论的“几何动力学观念”，四维相对时空等同于物质的引力场，即时空被赋予物质场内禀的动力学机制。那么，“广义相对论以太”不是纯几何学概念；简言之，它就是“与时间融为一体且因其自身的动力学变化而弯曲了的物质场背景空间”。可见，弯曲是其表观的几何学特征，而动力学机制则是其实质性的涵义。我们认为，爱因斯坦以新以太取代机械以太，实际上便在颇大程度上变革了真空概念；这是相对论时空理论建树所导致的成果。六十年代天文观测上发现全宇宙空间具有均匀而各向同性的微波背景辐射；此观测结果被某些学者看作是对爱氏新以太假设的印证，真空确实不空。诚然，爱氏的假设也局限于“经典真空”的定义范围。

量子场理论登上物理学舞台，真空概念有了更大的转变，被发掘出与经典定义在本质上不同的深层次内涵。此理论将量子场（由经典场量子化而得）作为物质存在的基本形式。各种量子场都有基态和激发态；基态表现为真空，激发态表现为粒子的产生。因此，所谓“量子真空”，就是指各种量子场均处于基态，无任何粒子产生。而某一量子场若被激发，相应之粒子则从真空这个物质背景中跃起。狄拉克的“粒子海”图象［参见《美哉物理》（一）］，更给予人们对真空概念以无尽的思考余地:各种量子场都有无限多已布满了相应粒子的负能级，正能级全都空着；这图象使真空背景似乎具有无限深的物质蕴藏，同时让正、反粒子对的产生、湮灭以及各种粒子的相互转化，俱都在真空背景之上层出不穷地展示。

爱氏以太假设给出的宇宙真空背景，犹如微风吹拂下的湖面涟漪，看来连绵不断、和谐而匀称，有一种平稳的美感。而狄拉克的粒子海，即使无风吹拂，也时有鱼儿跳出蹈入，海面的平稳时时被鱼儿的跳蹈所打破。此譬喻或许不甚确切，只是为了引出下文：量子真空比经典空复杂得多；并且，量子场的对称性蕴含也格外丰富。

真空的复杂性

量子场有一系列振荡模式，在基态时仍振荡不止；这称为真空零点振荡。各量子场之间有相互作用，并各有自作用，在基态时均不消失殆尽，从而引起虚激发，于是不断地出现虚粒子对的产生、湮灭和不同虚粒子的相互转化；这称为真空涨落。甚至有粒子的相干凝聚现象（称为真空凝聚）发生。如此等等，都说明真空是极为复杂的；其性状颇似一种物理介质，当然与经典场理论中的以太介质有本质的区别。李政道教授用下图表示这种复杂性。他设想，如果摄像的曝光时间足够短，能够捕捉住由虚激发形成的真空涨落，寿命非常短促的虚粒子被摄下踪迹。那么，这一张真空“相片”绝非空白一片，而是挤满了无数从粒子海中跳出或相互转化所致的、即生即灭的虚粒子。

图3-1 真空“相片”

 真空既然有虚激发，（实）粒子与真空相互作用就会引起真空极化。所谓真空极化，可以这样解释：因为真空中带相反电荷的虚粒子对在不断地生灭，带电的（实）粒子便会吸引与其电荷反号的虚粒子、排斥与其电荷同号的对偶虚粒子，于是虚粒子云的电荷分布就改变了。反过来，被吸引的虚粒子对于（实）粒子有屏蔽作用，从而使检测到的（实）粒子之电荷（物理电荷）值不同于它的裸电荷值；这是真空影响（实）粒子性质的一个明显例子，称为电荷的重正化，会导致可观测效应——诸如氢原子的能级移动、电子的反常磁矩等。实验上精确地测定了这些效应，从而证实了真空极化以及真空的种种复杂性状。

真空对称性自发破缺

量子场之对称性的丰富蕴含不仅反映于对称性本身，而且由其真空自发破缺方式显示得淋漓尽致。作为量子场之基态的真空，能量当然最低。不同相互作用的量子场之最低能量状态，即其真空态的性质亦不尽相同。就正常真空而言，这最低能量状态唯有一个，相应之作用势对此态还可能具有中心对称，则此真空态的对称性算得上圆满无缺。而对于反常真空，这基态发生简并，即能量相同的最低能态有若干个。人们经常以啤酒瓶底作喻：假定作用势形如瓶底曲面，中间隆起、四周凹下。显见，中心点尽管具有中心对称，但能量并非最低，即并不对应于真空态；而四周凹下的圆圈内的每一点都为能量相同的最低能态，各态对于中心来说是旋转对称的，即各态地位相当，然而真空态只为这许多态中的某一个，一旦自发地取定之后，就破坏了中心对称，所以称其为对称性自发破缺的真空。粗略地说，这两类真空，前者的对称性与相应之相互作用的对称性一致，后者的对称性因破缺而低于相应之相互作用的对称性；电磁作用场的真空态属于前者，弱、强等相互作用场的真空态属于后者。事实上，对于反常真空——对称性自发破缺的真空，量子作用场固有的精确对称性并不是被外界干扰所破坏，只是因处于特定的最低能态而自发地有所改变；而且由于此时常常出现真空凝聚，作用场体系的对称性会受其影响。可能正是真空的复杂性，给场体系带来了不对称因素。

对称性与对称性破缺，二者相反相成。后者对于探究量子场的对称性颇为有用，有了它，才有形形色色具有不同对称性的量子场；尤其对于场理论的统一性探讨，更加不可或缺。性质迥异的各种相互作用，恰是一种统一的相互作用之高度对称性经过逐步破缺，一一分离出来的。例如，成功的弱电统一理论把强度、作用程相差悬殊的弱作用和电磁作用统一为弱-电作用。弱作用的作用程极短，作为其传播子的中间玻色子必定具有很大的静止质量。如何获得质量是弱电模型建立过程中的关键问题；这是通过真空对称性自发破缺的途径得以解决的，即藉以先得到一种名为哥德斯通粒子的零质量玻色子，再凭借希格斯机制使其在弱-电作用的规范对称性破缺时获得质量。可见，正是真空对称性自发破缺，才使量子世界斑斓多彩；反过来，它又是统一不同量子场理论的有效工具。

真空探索的朦胧意境

二千多年前的经书《周易》里有“天地氤氲、万物化醇”八个字，简括地道出中国古代“元气说”的要旨：阴阳之气聚合，才有天地万物的千姿百态。这与上述近、现代物理中的真空概念，竟有意想不到的相似之处。如果抽掉真空这个物质背景，那就谈不上量子场体系的稳定性，也没有作为真空之激发形态的各种粒子。真空无处不在、真空不空，与中国古人所谓的“太虚即气，则无‘无’”，似相一致。当然，中国古人对气，或就说对真空的原始认识尚欠清晰，但这种朦胧意境却是意趣无穷的。而当代的理论物理学家也正是怀着无穷的意趣去探索真空的；或许，此探索工作迄今还裹以朦胧的氛围，纵然现在对真空的科学认识幽眇而精深，乃古人所无法比拟。

真空可说是本世纪中、后期理论物理前沿性研究的焦点。从量子电动力学（记作QED）到色动力学（记作QCD）,以及弱电统一理论、大统一理论和超弦理论、M理论等，无不对种种量子场的真空态作了出色的描绘。上而专门讨论的真空自发破缺方式，在场理论统一性探讨中的效用是不可低估的。所有这些量子场理论，从各个方面披露了真空的微观结构，即给出不同的“真空相”。打空与粒子的相互作用是微观物质体系运动的重要起因，故而一些疑难问题或可从真空结构、真空相变中找到答案。且以夸克禁闭为例说明之。李政道先生关于QCD真空的“非拓扑孤子口袋模型”把强子（重子和介子）看成是真空介质中的气泡（称作“口袋”），构成强子的夸克就在这些气泡里自由运动；而真空对气泡有压力，与夸克的动能相平衡，以保持气泡稳定，夸克则就不能越出气泡（见图3-2）。

图3-2 真空使夸克禁闭

 此外，宇宙演化过程中涉及大尺度真空结构；黑洞发射［参见《美哉物理》（二）］、QED中的电荷重正化、原子核理论中的反常核问题的解决等等，倒都是有赖于真空的复杂性。的确，真空探索对于从宇观到微观各个物质层次的理论研究都颇有助益。倘若真空并无充盈复杂的动力学机制，物质世界就不会如此井然有序、漂亮而多样，物理理论也不会如此对称简洁，并日臻完美。

真空探索，成果日丰，并渗透到愈益广泛的理论领域，随之人们对真空本质的认识也不断地深化。虽然如此，时至世纪之末，尚未形成系统的真空理论；尽管解释前沿性理论课题的一些真空模型非常精彩。其原因还在于真空的复杂性；况且，对于真空毕竟不能直接观测，唯从其与粒子和场的相互作用中探其真谛，这要受到目前科学实验手段的限制。把真空当作一种物理介质，由以说明真空的复杂性，其收效是显著的，但还带有唯象解释的痕迹。将狄拉克的“粒子海”图像作为真空背景，普遍以为能使量子场理论自圆其说，由以引出量子场的激发乃至实、虚粒子的产生和湮灭，其逻辑依据显得可靠而简捷。我们认为，狄拉克的创新，向后人示范了一种对于真空以揭示其内禀对称性为目的、富含美学意义的描述方式；当然，后人本着狄拉克创新方式的精神，可以对真空本质、真空的动力学机制的解释作另样的尝试，同时对爱因斯坦的质能相当原理，以及“广义相对论以太”的某些特征，亦可以从量子真空中寻求更为深邃的动力学起因，那么在新世纪，或能于此达成更为完善的创新。

诚然，真空概念的发展并非独立，对它的认识尚带几分朦胧，此乃与量子场理论的研究现状密切相关，与宇宙学的现代面貌也有一定关系。在量子场理论中，不仅这个概念、其他一些概念和理论描述，都有待进一步澄清和改善。我们希望，在未来的探索中，真空的复杂性和动力学机制渐趋明朗；解开了真空真谛这个难题，新世纪的量子场理论及其统一性探讨定会突飞猛进，或许同时会有着重于阐发量子真空概念、条理清楚的真空动力学诞生。