看《哈利波特》学物理：物体真的可以凭空消失吗？
最近 ， 《哈利波特与魔法石》全新4K修复3D版正式上映 ， 20年魔法梦不灭 ， 粉丝们终于可以身临其境地体验一把魔法世界 。
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（图片来源：《哈利·波特与魔法石》剧照）
神奇的魔杖、刺激的探险……那些曾惊艳我们的种种 ， 多希望能变成现实啊！
这其中有好多的“魔法” ， 不仅在视觉上惊奇刺激 ， 在科学上也令人着迷 。
消失的玻璃
○情境回放：
哈利使得关住蟒蛇的玻璃消失 ， 放走了蟒蛇 。
消失的玻璃去哪了？物体能凭空消失吗？
当然可以！只不过 ， 玻璃并不是“凭空”消失的 ， 而是说 ， 组成玻璃的这些分子原子它们消失了 ， 取而代之的 ， 是其他形式存在的能量 。
咦？物质和能量之间相互转化？
很多人有类似于“物质不灭定律”的固定思维 。 当汽油燃烧完后 ， 物质并没有消失 ， 只不过汽油中的碳和氢原子 ， 和空气中的氧气结合成了水蒸汽和二氧化碳 。 等等各种反应 ， 只不过是物质在不同组合之间的转换 。
然而 ， 物质不灭是一个假象 ， 组成物质的基本粒子 ， 在能量足够高的情况下 ， 可以成对地消失 ， 转化成能量 。 比如现在的对撞机实验发现高能正负电子对撞会湮灭为高能光子 ， 高能光子也可以从真空中激发出大量的粒子 。 强大的激光能量束 ， 能够在真空中剥离出电子和正电子来 。 也就是我们所说的“产生正负电子对” 。
在真空中剥离出电子和正电子来？对 ， 要一步步搞清楚 ， 其实不难 ， 当我们知道真空是什么 ， 这个问题就好解释了 。 那么 ， 物体消失的魔法 ， 也就不在话下啦！
○我们曾天真地以为真空里有“以太”
曾经的物理学家们认为 ， 既然电磁波能够在真空中传播 ， 那么真空中一定弥漫着一种特殊的媒介 ， 叫做“以太” ， 电磁波就是以太的振动而形成的 。
○但是测量以太 ， 发现没有
提出了以太之后 ， 肯定就有人要去证实一下啦 。 迈克耳孙和莫雷 ， 想到了利用光的干涉效应对以太进行实验测量 。 如果以太存在的话 ， 根据牛顿力学的速度叠加原理 ， 在地球上朝着不同方向传播的光的速度有微小的差异 ， 那么两条光路的干涉效应可以表现出这一差异 。 这个实验被称为迈克耳孙—莫雷实验 ， 其实它已经达到了非常高的测量精度 ， 然而却没有观察到预期的光速的差异 。 这就……令科学家们不安了 。
○爱因斯坦：嗯 ， 不需要以太啊！
此时 ， 拯救世界的就是大家所熟知的——爱因斯坦 ， 他提出了狭义相对论 ， 其中有两条基本原理：相对性原理和光速不变原理 。 只要放弃牛顿力学中绝对空间和绝对时间的概念 ， 就能解释迈克耳孙—莫雷实验的结果 ， 完全不需要引入以太 。 电磁场本身就是一种物质 ， 电磁波是这种物质的运动形式之一 ， 不需要媒介就可以在空间中传播 。
至此 ， 经典的以太这个概念 ， 被人们所摒弃 。。
○狄拉克用方程导出了电子自旋
事情转到1927年 ， 狄拉克提出了满足相对论协变性的量子力学方程——狄拉克方程 。 由于这个方程自然地导出了电子自旋的结果 ， 被人们公认为现代理论物理学的一个巨大成就 。
○负能量的电子 ， 怎么办？
但是 ， 狄拉克方程也预言了一个非常神奇的结果：狄拉克方程的解 ， 竟然还存在负能量的电子！
如何理解这些负能量的电子呢？狄拉克解释说 ， 真空是所有负能量态都被占据的状态 ， 每个负能量态都有一个电子占据着 ， 所以阻止了正能量的电子向负能量态跃迁 ， 至于为啥 ， 那是因为泡利不相容原理：在费米子组成的系统中 ， 不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同的状态 。 同一个状态的电子 ， 最多只能被激发出一个 。
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真空可以看成填满了所有负能量态的电子形成的海洋 ， 而带有正能量的电子则在这个海面上运动 。
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真空是电子海！这样一个景象 ， 可以说是令人相当惊奇的 。 设想一下 ， 如果一个高能量的γ射线入射到电子海中 ， 海中将有一个电子被激发到海面上 ， 而电子海中也会留下一个空穴 。 狄拉克给这个空穴起了个名字叫正电子 ， 因为它相当于一个带正电荷的电子在真空中运动 。 它应该与电子具有相同的质量,但它有正的电量 ， 是电子正能态的一种镜像 。 狄拉克还进一步预料：当正电子和负电子相遇时 ， 会发生湮灭而产生光子 。 相反 ， 一对光子的湮灭 ， 也会产生出一对正电子和负电子！
相当的天才 ， 有木有！
○安德森证实了狄拉克的预言
有了预言 ， 那又有人要去实验证实啦！安德森在宇宙线照射的云室中 ， 发现了一个与电子质量相等、却带有正电荷的电子——正电子 ， 非常成功地支持了狄拉克的理论预言 。 紧接着不到4年的时间 ， 就有大约4万多例实验反复证明了正电子的存在 。 狄拉克和安德森还因为这 ， 分别获得了1933年和1936年的诺贝尔物理学奖呢 。
○场的激发和退激发——真空涨落
当历史的长河进入20世纪中叶 ， 电子与电磁场相互作用的量子理论——量子电动力学诞生了 。 它是一种量子场论 ， 它说 ， 电子场的激发和退激发 ， 对应着电子的产生和湮灭 ， 而电磁场的激发和退激发 ， 对应着光子的产生和湮灭 。
拿费曼图给大家看一下 ， 没听说费曼图也没关系 ， 因为费曼发明出来就是为了让大家直观地看懂呀！左图中 ， 左边画的电子和正电子通过碰撞 ， 发射出中间画的那个虚光子 ， 然后被右边画的电子和正电子所吸收 ， 这样 ， 两边的粒子对通过交换虚光子发生了相互作用 。 此时初态和末态 ， 都是可以被直接观测到的真实粒子 ， 而所有中间过程的粒子 ， 存在的时间很短 ， 被称为虚粒子 。
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图(a)简单的费曼图(b)量子电动力学的真空极化
右图中 ， 是一个更高阶的过程 。 电子发射出的虚光子可以变成一对虚的正负电子 ， 就是那个圈圈 ， 然后这对虚的正负电子又湮灭重新变成一个虚光子 ， 这个虚过程被称为真空极化 。
这样我们是不是理解了 ， 看似电子在真空中运动 ， 实质上真空中存在着大量的虚的光子、正负电子对 。 也就是在费曼图中的中间部分的那些粒子 。 这被称为“真空涨落” 。
别催了现在就证实真空涨落
○电子能级微小变化——兰姆位移
同样 ， 再完美的理论总是要被实验证实才被接受 。 话说 ， 真空涨落将引起电子能量的微小改变 ， 不过仅在MHz量级(微波段) 。 于是美国物理学家兰姆 ， 利用微波技术 ， 测量了氢原子中电子最低的两个激发态能级 ， 发现的确是啊 ， 真空涨落将引起电子能级的微小变化 ， 这个微小变化被称为兰姆位移 。 记好了 ， 很出名的~
○真空涨落屏蔽电子自旋——电子反常磁矩
还有一个实验 ， 同样大名鼎鼎 ， 那就是电子的反常磁矩 。 因为真空涨落还将屏蔽电子自旋 。 美国物理学家库什就利用磁共振技术 ， 测量了电子磁矩 ， 发现真空涨落确实将引起电子磁矩偏离了简单的玻尔磁子 ， 这被称为反常磁矩 。
这两个实验都很成功 ， 与理论值在相当高的精度上一致！
1973年12月 ， 英国《自然》杂志以“专题文章”的形式刊出一篇题目为《宇宙是真空涨落的产物吗？》的文章：浩瀚无边的宇宙 ， 起源于量子真空涨落 。 第一次以科学严肃的语言描述了宇宙产生于看似虚无的真空 。
【看《哈利波特》学物理：物体真的可以凭空消失吗？】那是一片波动不停的能量之海~当能量达到波峰 ， 能量转化为一对对正反基本粒子；当能量达到波谷 ， 一对对正反基本粒子又相互湮灭 ， 转化为能量 。 它们紧密地填满了每个物体的空隙 ， 却几乎不与物体发生相互作用 。
但这一切都是在普朗克尺度下的空间 ， 而宏观时空是由普朗克尺度下最小的时空单元编织而成 。 在宏观下的我们 ， 能不能亲眼看到微观的量子效应呢？
吼吼 ， 也可以！惊不惊喜 ， 意不意外？让我们做个有趣的实验——卡西米尔效应！
○真空涨落体现在宏观上——卡西米尔效应
这是由荷兰物理学家卡西米尔提出的 。 下面我们来具体想象这样个小实验：
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