什么才是空
我们的汉字“空”，一个穴加一个工，代表一个不实不满的区域。所以古人说空无一物，不过后来人们发现看不见的空气中也有无数的灰尘，近代又发现了氧气氮气等空气分子，于是人们认为“空”应该指抽空了空气的真空。但是再后来，人们提出了场的概念，比如引力场和电磁场，只有把它们也排除出去，才能得到真正的“空”。这时候的空应该只代表空间本身。
广义相对论的时空一体
时空曲率无限大的黑洞
到了1916年，爱因斯坦又用广义相对论告诉我们，时间与空间也是一体的，称之为“时空”。他认为时空不是平的，而是可以弯曲的，引力场就是时空弯曲的几何效应，大质量天体周围的时空就会显著弯曲，而时空曲率无限高时就成为了黑洞。
量子不确定性原理
又到了1927年，海森堡则用量子论不确定性原理告诉了我们一个更为怪异的“真空”，真空中其实无时无刻不在沸腾着，到处有神秘的能量产生并消失。
首先我们来理解今天主题的理论基础—不确定性原理。
海森堡不确定性原理
1927年，海森堡在哥本哈根的玻尔研究所思考他创立的矩阵力学，里面的矩阵不满足乘法交换律深深迷惑着他，他在思考这到底代表着什么样的物理涵义。p×q≠q×p，p是动量，q是位置，这代表先测量动量再测量位置和先测量位置再测量动量的结果不同，海森堡洞察到了其中的奥妙，他得出了一个公式：△p×△q>h/4π，△p和△q分别是测量p和测量q的误差，h是普朗克常数。他在发表的论文《论量子理论运动学与力学的物理内涵》中提出了著名的测不准原理（后人改名为更具普遍意义的不确定性原理）。这里需要注意海森堡此时理解的观察者效应造成的测不准实际是错误的理解，事实上是理论和数学本身限定了无法同时确定一个粒子的准确位置和准确动量。我们还可以用粒子的波动性来理解不确定性，一个自由粒子可以写成一个平面波exp{i(Px+Et)}，里面动量P和位置坐标x是等价的，因此量子力学可以采用两种相互对偶的表象，一种是坐标表象，另一种是动量表象，根据平面波的性质，二者可以直接做傅里叶变换。由于平面波的P和x需要符合非对易关系，这就导致它们两个的分布范围乘积必然大于h/2，即普朗克常数的一半，从而可以推导出海森堡不确定性公式。
抛开数学简单点说，由于波粒二象性，电子实际也是一个波，所以根本不存在一个位置和速度完全确定的电子。
看到这里有同学可能会问，宏观物体为什么看不到不确定性，例如苹果就在盘子里，子弹也总能命中目标，解释这个问题我们可以先计算它的德布罗意物质波波长，λ=h/mv，波长等于普朗克常数除以动量（质量×速度），可以发现宏观物体的波长极小，无法观察到波性。也可以计算运动物体的不确定性，比如质量为10g、速度500m/s的子弹，若测量速度的准确度为0.01%，当位置和速率在同一实验中同时测量，他的位置的最小不确定量如下计算
子弹的位置不确定量
，这样极小的不确定量根本无法观测。但同样的公式用来计算电子时，由于其质量极小，计算后其波长和位置的不确定量都会变得较大而可以观察。
能量与时间也符合不确定性原理
初步理解了不确定性原理后我们继续推导：动量与位置这种关系量被称为“共轭量”，后来科学家又陆续发现了很多这种“共轭量”，例如能量E和时间t。只要能量E测量得越准确，时刻t就愈加模糊；反过来，时间t测量得愈准确，能量E就开始大幅度起伏不定。于是在一个非常非常短的一刹那，也就是t非常确定的一瞬间，即使真空中也会出现巨大的能量起伏。这种能量完全是靠着不确定性而凭空出现的，但是这一刹那极短，在人们还没有来得及发现以前，它又神秘消失，使得能量守恒定律在整体上得以维持。
量子涨落现象
量子涨落
这就是说，我们的真空其实无时无刻不在沸腾着，到处有神秘的能量产生并消失。而能量和质量是可以互相转换的，所以在真空中，其实不停地有一些“幽灵”物质在出没：由粒子和反粒子组成的虚粒子对，这些粒子对借取能量而生成，又在短时间内湮灭归还能量，这种不确定性原理推导出的现象就叫做“量子涨落”，而这种现象是可以被实验观测的，例如卡西米尔效应。
卡西米尔效应
卡西米尔效应是由荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔于1948年提出的一种现象，此效应随后被侦测到，其根据量子场论的“真空不空”观念——即使没有物质存在的真空仍有能量涨落：真空中两片中性（不带电）的金属板会出现吸力；这在经典理论中是不会出现的现象。这种效应只有在两物体的距离非常之小时才可以被检测到。例如，在亚微米尺度上，该效应导致的吸引力成为中性导体之间主要作用力，在10纳米间隙上（大概是一个原子尺度的100倍），卡西米尔效应能产生1个大气压的压力。
时空本身的不确定性
到了这里，真空中可以诞生物质了，但是他们必须急速产生与消失，从而满足能量守恒。但是到了1960年代，科学家们想到，假如把引力的能量定义为是负值（因为引力是吸力，当物体靠近后因为引力做功使得其势能为负值），这样在短时间内凭空生出的物质能量，它们之间又可以形成引力场，而引力场产生的负能量正好和它们本身的物质能量抵消，使得总能量仍然保持守恒，这样物质就真的从一无所有中产生了。需要注意，与量子涨落不同，上面这一小段为纯理论，没有实验依据。于是很多科学家相信我们的宇宙本身就是通过这种机制产生的。量子不确定性原理使得一小块时空突然从根本没有时空中产生，然后因为各种力的作用，它突然指数级地膨胀起来，在瞬间扩大到整个宇宙的尺度。
宇宙暴涨模型
1980年，MIT的科学家阿伦·古斯在这种想法上出发，创立了宇宙的“暴涨理论”。在微观暴胀时期的量子涨落，经过暴胀放大至宇宙级大小，成为宇宙结构成长的种子，这解释了宇宙宏观结构的形成。很多宇宙学者认为，暴胀可以解释了一些宇宙难题：为什么宇宙在各个方向都显得相同，即各向同性，为什么宇宙微波背景辐射会那么均匀分布，为什么宇宙空间是那么平坦，即时空曲率平坦，为什么观测不到任何磁单极子？1998年，古斯还出版了一本通俗的介绍暴涨的书，他最爱说的一句话就是：“宇宙本身就是一顿免费午餐。”
暴涨模型
本科普号接下来的文章会介绍量子论预言的其他反直觉现象及量子论在现实生活中的具体应用，欢迎关注、收藏、点赞、评论。
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