1643年，当托里拆利（Evangelista Torricelli）第一次把装满水银的长玻璃管倒扣在同样装满水银的盆里，发现管中的水银柱总是降到76cm高时，他意识到他在水银柱上方创造了真空[1]。这可能是人类有记载的第一次在实验室中创造的真空。真空里确实没有空气，但除此之外真的什么都没有吗？

前量子时代：以太论的提出与终结

19世纪的物理学家们并不这样认为。1800年，托马斯·杨（Thomas Young）通过双缝干涉实验证明了光是一种波。经验告诉那时的人们，波的传播需要介质——水波需要水才能传播，而人与人对话时的声波也依赖于空气才能传播。既然光可以在真空中传播，那么真空中一定存在一种可以让光传播的介质。这种介质被称为“以太（ether）”。

人们假设以太无处不在，绝对静止。因此当我们相对于以太以不同的速度运动时，测量得到的光速理应不同。类比于水波，我们在平静的河面上扔一块石头，激起的水波向我们运动的速度是v。那么如果河水以速度w朝向我们流来，这时再往河里扔一块石头，水波的速度就是v + w。这就是运动的相对性原理——一个从伽利略（Galileo Galilei）之后就深入人心的概念，也是经典力学的根基。

然而也正是这一推论导致了以太的终结。它起源于迈克尔逊（Albert Michelson）和莫雷（Edward Morley），完成于爱因斯坦。从1881年开始，迈克尔逊和莫雷等人在不同的时间和地点反复测量了光速，而测量得到的光速在误差范围内总是一样的，并不随地球的运动而变化。这一结果暗示以太可能并不存在[2]。1905年，在《论动体的电动力学》（Zur Elektrodynamik bewegter Körper）这篇论文中，爱因斯坦首次彻底抛弃了以太的概念，直接提出光速不变原理，建立了狭义相对论。狭义相对论以最简单的方式解释了迈克尔逊-莫雷实验，并给出了横向多普勒效应（transverse Doppler effect）、高速运动粒子的半衰期延长等诸多理论预言。随着这些预言在实验上被逐一验证，人们相信狭义相对论是正确的——以太并不存在。

所以看来真空中确实什么都没有，就像它的名字里暗示的那样是“真正的虚空”？答案并不是这么简单。就像迈克尔逊-莫雷实验对“真空中存在绝对静止的以太”这一说法提出了挑战一样，量子理论的建立对“真空中什么都没有”这一看法也提出了挑战。    

原子谱线：“真空” 可能不“空” 

证据来源于对原子谱线的观察。早在19世纪，人们就已经发现加高电压的气体可以发光。气体原子通过高电压获得了能量，再通过发光的方式释放能量。这就是霓虹灯的基本原理。不同原子发射的光颜色不同，这些特定频率的光构成了原子的发射光谱[3]。氢原子作为元素周期表中最简单的原子，仅由一个质子和一个电子构成，其光谱被研究得最为广泛。氢原子在可见光范围内谱线的频率最早由巴尔末（Johann Balmer）于1885年用一个经验公式总结：

但当时的人们并不知道这公式背后的物理意义。直到1913年，玻尔模型首次成功解释了这一公式（如果你不熟悉玻尔模型，请参考注释[4]）。但玻尔模型是一个半经典理论，面临着各种困难。1926年，薛定谔（Erwin Schrödinger）提出薛定谔方程，从完全量子力学的角度解释了氢原子的光谱。电子受吸引的库仑力被束缚在质子附近，处于“束缚态”（bound state）。这些束缚态具有确定而分立的能量，被称作能级（energy level）。通过求解薛定谔方程，可以准确预言这些能级的能量。巴尔末公式所总结的处于可见光区的谱线的频率，就对应着处于高能级的电子向第二能级跃迁时所放出的光的频率。

对氢原子谱线的解释是量子力学的巨大成功。但仔细考察实验结果，我们还是能发现诸多薛定谔方程无法被解释的瑕疵：

• 薛定谔方程只能复制玻尔模型的结果，却不能解释氢原子能级中更精细的结构。如果用更精密的实验放大观察之前得到的谱线，会发现每条谱线实际上都由很多间距很小的谱线所组成。

  
  

• 在薛定谔方程的理论框架下，处于能级上的电子无论能量多高，如果不受外界扰动就会一直停留在该能级上，并不会自发跃迁到更低的能级放出光子。但在实验中，即便在真空中，处于高能级的电子仍然会以一定概率跃迁到低能级上。这一现象被称为原子的自发辐射（spontaneous radiation）。

难道真空中真的会有一些东西扰动处于高能级的电子吗？在接下来的两节我们会分别解决这两个问题。但对于处在20世纪20年代的物理学家们而言，这确实是难以理解的现象。物理学家费曼（Richard Feynman）曾经说过这样一个故事[d]：

我去过麻省理工学院（读本科），去过普林斯顿大学（读博士）。回到家之后，我的父亲说：“长期以来我一直想搞明白一件事，但一直没搞懂。儿子，既然你已经接受了这么多科学教育，我希望你能解释给我听。”我说好。

他说：“他们说，当原子从一个状态变到另一个状态的时候，从一个激发态变到低能态的时候，会发光。这件事我能明白。”

我说：“确实是这样的。”

“然后，光是一种粒子。他们应该是称之为光子。”

“是的。”

“既然原子从激发态到低能态时出一个光子，那么处于激发态的原子里一定有一个光子了？”