物理学的真空性质----百度百科

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真空性质
每一种物理学理论对真空性质都有不同的理解，对于真空性质的理解和认识是极其重要的，因为真空性质是构建理论物理的基石。任何一个物理学理论体系总是从真空性质出发来建立理论体系，对真空性质的认识如同建立高层建筑的地基一样，什么样的地基就决定了什么样的建筑。
中文名 真空性质 物理实验 借助于高能粒子对撞机 量子场的真空 全空间充满各种虚粒子 真空结构超弦理论的时空维数为10维
目录
1 物理实验
2 观点论述
3 论述总结
物理实验编辑
在探测基本粒子的内部结构时，是借助于高能粒子对撞机让两个基本粒子互相撞击，把粒子击碎后，对碎片进行分析。但是两个高能粒子相撞，得到的不是碎片，而是更多的基本粒子。例如：在高能粒子对撞机中，一个正电子和一个反电子相撞，会发生湮灭而变成一对光子，实物粒子消失于真空；在能量很高的时候，则会产生大量的基本粒子。这表明真空不空，粒子可以从真空中产生，也可以消失于真空。
观点论述编辑
量子场论观点认为物理上的真空实际上是一片不停波动的能量之海。量子场理论认为，真空并不是“真”的“空”无一物，在真空状态下，全空间充满各种虚粒子，只是每个场因处于基态而都不显现出相应的粒子，整个空间都没有实粒子存在。真空基态场被激发，则处于激发态，有正反粒子产生。量子场论描述了一个场与粒子相统一的物理图景：全空间同时相互重叠地充满了各种场，每种场各对应于一种粒子。电磁场对应着光子，电子场对应着电子，中微子对应着中微子场等，它们同时存在于全空间。
场的能量最低的状态称为基态。当某种场处于基态时，场由于不可能通过状态变化释放能量而无法输出任何信号和显现出直接的物理效应，观测者也因此无法观测到粒子的存在，全空间充满各种场，只是每个场因处于基态而都不显现出相应的粒子，整个空间都没有可观测的粒子（常称为实粒子）存在。这便是物理上的“真空”。
场的能量增加称为激发。当基态的场被激发时，它就处在能量较高的状态，称为激发态。场处于激发态时就产生了相应的粒子。场的不同激发态所对应的粒子数目及其运动状态是不同的，粒子的产生和湮灭代表量子场激发和退激。由此可见，“场”是较粒子更基本的物质存在，粒子只是场处于激发态的表现。真空中尽管不存在大时空尺度下可观测的实粒子，但在极小的时空尺度下会产生正反虚粒子对，如果外界不输入能量，这些虚粒子对会迅速湮灭。因此，真空中不断地有各种虚粒子对的产生、湮灭和相互转化的现象，称为真空涨落。
按照量子场论，相互作用存在于场之间，无论是处于基态还是处于激发态的场，都同样地与其它场相互作用；粒子之间的相互作用来自于它们所对应的场之间的相互作用，场之间的相互作用是粒子转化的原因。也有观点认为真空是一种由正反粒子对组成的电中性的静止质量为零的Bose子凝聚态 [1]  。
量子场论粒子和空间的关系
4维空间和基本粒子是相互独立的， 4维空间虚粒子 “海”的构成“真空”，从虚粒子海被激发出来的粒子为实物粒子。
弦理论的真空结构
由于超弦理论的时空维数为10维，现实空间为4维，因而多余的6个额外的维度需要被紧化。额外维度的几何决定着我们在寻常三维空间里观测到的那些粒子的基本物理属性，如质量、电荷等。弦理论中的多余空间6维度不能随便以任何方式折皱起来，来自理论的方程严格限制了他们的形态 [2]  ，他们被卷缩成卡拉比—丘成桐空间（简称“卡-丘”空间），该空间是一个极其复杂的蜷缩的高维空间，它的半径小于亿亿亿亿分之一米，只有质子和中子半径的亿万分之一，我们是无法用任何办法来观测。
空间和粒子的关系：弦论认为自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子，而是很小很小的线状的“弦”（包括有端点的“开弦”和圈状的“闭弦”或闭合弦），弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子。这样的弦可以在任何时刻在任何空间任何地方自由振动，卷缩的空间对弦的可能振动模式将产生深刻的影响，额外维度的几何决定着我们在寻常三维空间展开空间里观察到的那些粒子的基本物理属性，如质量、电荷等。10维空间和弦是相互独立的个体，空间结构影响弦的振动模式，通俗地讲多维空间是承载弦的容器。
真空场理论真空结构
真空统一场理论认为不能先验地假定真空的性质。根据实验对真空的认识只能得到这样的结论：真空不空；真空在未受到扰动时没有可观测性；受激发的真空会产生粒子。由于目前对真空内部结构无法获得实验的直接支持，因此在没有获得实验支持前提下预先认定真空“是一片不停波动的能量之海”仅只是一种推测， 因为空认识的困难在于：平直真空的性质对于实验而言，没有可观测性。这类似于一个先天的盲人想要想正确地理解颜色的概念一样。具体困难如下
困难1：真空不空，存在物质，这种物质应该是一种最为原始的物质，由于没有可观测性，在该物质上无法定义测度。换言之，平直真空上既不能定义时间，也无法定义空间。时空只能定义在形变的真空场之上。
困难2：真空不应该具有动力学特性，例如：质量、惯性等；动力学特性来自于对宏观物体的观测，而真空无可观测性，因而，用宏观物理学的性质解释更基本的性质如同用分子的性质解释原子性质一样，是不合理的（可以存在某种基本的共性），只能用原子的性质来解释分子性质。两者之间不满足充分必要条件。
困难3：真空也不应该具有任何基本粒子的性质。例如：有电荷，自旋等性质。真空具有粒子性及动力学性质会使得我们的理论会陷入用粒子解释粒子的逻辑循环中，从本质上来说，我们对真空的认识并没有前进。
困难4：真空物质的存在不可避免引入了一个绝对参照系，而绝对参照系的存在会使回到牛顿经典力学后期以太存在的时代。
如何更客观的认识真空呢？粒子物理实验证实粒子可以消失于真空也可以从真空中产生。如果真空的性质和现有物理学没有任何相关性，那么很难想象今天的物理学从何而来，物理学不可能无中生有。因而可以谨慎推论真空应该存在某种和宏观物理性质相似的更基本的性质。我们把真空的这种更基本的性质作为真空场理论的基本假设，并以此为出发点可以为客观的加深对真空的认识。
是什么原因使得真空中的这些物质能够产生出千变万化，纷繁复杂的大千世呢？超大真空统一场理论的基本考虑是：真空物质是可以形变的，这是真空物质应该具有的最基本的性质，否则物理学无从谈起。由于真空物质统称为真空场，该理论的所有的研究都是基于真空形变后的基础之上。众所周知，我们生活的世界是三维空间。把真空不空这一基本事实结合起来，那么真空场形变后应具有三维特性，这是最简单最直接的推论。整个可观测的宇宙中都应该有这种场。由诺特尔（Noether）定理我们知道：时空平移不变性导致能量动量守恒，空间各向同性导致角动量守恒。这表明真空具有的均匀性和连续性及各向同性的性质。和数学不一样，物理意义上的无限切分总存在一种能保持原有性质的最小的物质单元，于是该理论给出第一条假设
    假设Ⅰ假设真空由可数无穷多的大小为的致密、均匀的、连续的物质构成，这种物质形态我们称为真空场。称为真空场基本单元。
基于高能物理实验，粒子可以从真空中产生，也可以消失于真空。超大真空统一场理论认为真空物质应该可以形变，如果不可以形变，粒子从何产生又如何消失于真空呢？考虑一个未形变的场基本单元，沿某一方向发生形变时，点O变为O'，如图1所示
场基本单元应变叠加出现维度效应
场基本单元应变叠加出现维度效应
，产生一个波动，该方向就波运动的方向，该指向构成1维，由正坐标轴（拉伸区）和反坐标轴（压缩区）构成。与此同时，O'会拉伸周围的场质，与坐标轴垂直的圆盘形变量最大，这一圆盘就构成与之垂直的坐标平面，该圆盘和轴具有轴对称关系。如果此时还存在任意的一个场形变，则应变按平行四边形定则进行叠加，叠加后圆盘就是非均匀形变，轴对称破缺，存在一个新的指向，两个指向确定了一个新的平面，这个平面就是一个二维面，其波动指向在该平面内；当又存在一个新的应变时，如果该形变不在该二维面上，那么波动指向就会超出该平面内，其运动轨迹在一个体积内。为什么不出现第四个维度，这是因为任意方向的叠加的应变都可以通过平行四边形法则被三个维度分解，不需要第四个维度，上帝是节俭的。一基本单元叠加多种场形变，最终会叠加出三个相互正交应变最强的三个维度，这就是场基本单元的三个维度。如果在某一区域内存在应变叠加，那么宏观地表现出来该空间存在三个维度。在此基础上可以得到第二条基本假设
假设Ⅱ真空场基本单元  形变后才显出三维特性。维度指向由应变确定，维度间具有独立性。
这里的真空场基本单元粘接构成，因而具有颗粒性，每一个基本单元被视为坐标空间中的一个点，用ξ表示。同一个场基本单元上，可以重叠地存在三类(σ1, σ2, σ3)场形变，该点空间的场函数为  ，i=1,2,3（三维空间）。进一步考虑真空场，如果有形变，真空物质不可能被压缩到无限小，也不可能拉伸到无限大，于是得出第三条假设
  假设Ⅲ真空场基本单元可以发生小的形变，并存在着拉伸极限和压缩极限，言某一维度方向形变的极限值为H/2；超过形变极限后会出现破裂而发生塑性形变，塑性形变会造成维度分裂拉伸而构成弦。
当一种物质形变之后，再形变就会变得相对更困难，于是我们在假设Ⅰ的基础上给出第Ⅳ条基本假设
假设Ⅳ真空场的形变会降低其传播能力。
如果真空的传播能力降低，光子的传播速度就会变慢，光速的非均匀性会导致光线发生折射，如同光进入水中之后，传播速度变慢发生折射一样，光线会发生弯曲 [3]  。
上述四条基本假设描述了真空场基本的性质，换言之，这就是超大真空统一场理论对真空结构的表述。
粒子和空间的关系：该理论认为基本粒子和四种力场、时空等万事万物都是真空场不同形变模式的产物，实物粒子和真空是一体的，如同水中的漩涡与水是一体的。
论述总结编辑
在上述论述中，可以看出，相对而言，超大真空统一场理论对真空的性质更为原始，在设法避免引入更为复杂的物理学及几何性质。对于基本粒子和空间的关系而言，真空统一场理论的空间和其他理论存在着本质上的差异，空间和物质不再是独立的个体，而是一体的。