为什么真空不空

真空是什么？在物理学似乎已经发展到相当成熟的今天，却仍然是一个未能完满解决的问题。古代对真空的看法是更偏向哲学意义上的，基本观念有两种：一种是承认有一个虚无一物的、独立于物质而存在的空空荡荡的真空。而另一种则排斥虚空观念，认为真空不空，宇宙空间充满一种叫作以太的物质。现代物理学的发展否定了以太的存在，却深化了真空对物质的依赖关系。物理学家们对于空间与物质的深刻联系的认识越来越清楚了。

广义相对论把空间看作为场的结构，是物质的一种特殊形态，量子力学尤其后来的量子场论，则把真空看成是量子场能量最低的基态。量子力学对真空的理解以“狄拉克海”为代表。物理学大师狄拉克一生追求物理理论的“数学美”，然而，在狄拉克方程的解中，有一个结果会导致电子可以具有“负能量”状态的荒谬结论。为了克服这一困难，狄拉克发挥了他天才的想象能力，想象我们世界所谓的“真空”，已经被所有具有负能量的电子填满了，只是偶尔出现一两个“空穴”。因为最低能量态已经填满了，电子便不可能跃迁。这个被负能量电子填满了的真空，叫作“狄拉克海”。而狄拉克海中偶尔出现的“空穴”泡泡又是什么呢？狄拉克认为，那些空穴应该在所有方面都具有和负能量的电子相反的性质，那就是说：一个“空穴”应该是一个电荷为正、能量为正的粒子。如果我们世界中的正能量电子，碰到这样的“空穴”，就会辐射出光子且向这个偶然出现的负能量跃迁，最后结果是电子没有了，空穴也没有了，它们的能量转换成了光子的能量。

当时狄拉克也许只是为了追求理论上的数学美，而作出能自圆其说的美丽假设。可没想到，1932年，从美国加州理工学院传来一条令人吃惊的消息：安德森在研究宇宙线的云室里，发现了一种与狄拉克假设的“空穴”一模一样的新粒子——正电子！由此看来，真空确实并非是一片虚空，实际上其中不断产生并湮灭大量的正负电子对。狄拉克的真空假设导致了反物质的发现，为此，狄拉克和安德森分别获得了1933年及1936年的诺贝尔物理学奖。

粒子与反粒子