我們想象一下，如果可以的話，擁有一個完全沒有任何東西的宇宙意味著什麼。假設我們把所有不同數量的物質和能量帶走，使宇宙中沒有任何型別的粒子或反粒子；我們移除任何引力或空間曲率的來源，把宇宙縮小到純粹的空白（真空）空間；且可以保護宇宙不受任何外部電場、磁場或施加核力的磁場的影響，從而消除它們對我們正在考慮的時空可能產生的任何影響。像這樣的真空宇宙會有能量存在嗎？

圖注：量子電動力學中有幾項有助於真空零點能的因素，儘管我們經常假定這些對量子真空的貢獻的值總和為零，但這一假設沒有堅實的基礎。

對於任何我們可以想象到的物理系統，總會有一個最低配置，我們可以把它放在能量總量最低的地方。對於一系列與宇宙隔絕的物質來說，那是一個黑洞。對於一個質子和一個電子，它是處於基態（即最低能量）的氫原子。對於宇宙本身來說，就是在沒有任何外部場或源的情況下建立一個空白空間。

圖注：在假真空中的標量場φ。請注意，能量E高於真實真空或基態時的能量，但有一個屏障阻止電場經典地向下滾動到真實真空。還要注意最低能量（真真空）狀態是如何被允許有一個有限和正的非零值。許多量子系統的真空零點能已知大於零。

最低能量狀態被稱為真空零點能（Zero-Point Energy）狀態。很長一段時間以來，研究宇宙的科學家都認為真空零點能（Zero-Point Energy）為零。請注意，這並不是出於任何物理原因，而是因為我們只有兩個 試圖達到它的方法，並且兩者都給出了指向除零以外的任何值的問題的答案。

圖注：對愛因斯坦廣義相對論進行了無數次的科學檢驗，使其受到了人類有史以來最嚴格的限制。物質和能量在空間中的存在告訴時空如何彎曲，而彎曲的時空告訴物質和能量如何移動。但也有一個自由引數：空間真空零點能量，作為宇宙常數進入廣義相對論。這準確地描述了我們觀察到的暗能量，但沒有解釋其價值。

空間真空零點能的概念第一次出現在愛因斯坦（當時是新的）引力理論的背景下：廣義相對論。愛因斯坦認為，空間的曲率決定了未來宇宙中物質和能量的行為，物質和能量的存在決定了空間的曲率。

好吧，差不多了。物質和能量的存在幾乎完全決定了空間的曲率，但我們可以自由地給空間本身新增一個常數。這個常數，不管是什麼，都代表空間的真空零點能（Zero-Point Energy）。當我們發現膨脹的宇宙時，這個常數完全不必要，因此被丟棄了60多年。

圖注：今天，費曼圖被用於計算跨越強、弱和電磁力的所有基本相互作用，包括在高能和低溫/凝聚條件下。如圖所示，它們不僅適用於進入和離開相互作用的粒子，也適用於量子真空。

真空零點能的概念第二次出現是在量子場論嶄露頭角的時候。除了粒子透過滲透宇宙的量子場相互作用的所有方式之外，還有“真空”貢獻，這代表了空間真空中量子場的行為。

各個途徑為我們所謂的這些領域的“真空期望值”做出了巨大貢獻，通常比觀測極限大約120個數量級，但有些是積極的，有些是消極的；還證明了某些場論與自由論完全相同（其真空期望值為零），因此我們再次假設真空零點能量為零。

圖注：宇宙的膨脹是加速還是減速，不僅取決於宇宙的能量密度（ρ），而且還取決於各種能量成分的壓力（p）。對於暗能量這種壓力很大且為負的物質，宇宙會隨著時間的推移而加速，而不是減速。這首先由超新星的結果所表明，但後來被大規模的結構測量、宇宙微波背景以及其他測量宇宙的獨立方法所證實。

然後，在20世紀末，不可思議的事情發生了。我們一直認為宇宙在膨脹，引力在減緩膨脹，或者：

引力會贏，膨脹會逆轉，

膨脹將獲勝，並將永遠繼續放緩，

或者它們會精確地平衡，展開會逐漸趨於零，但永遠不會完全反轉。

但後來我們發現，宇宙的膨脹絲毫沒有減緩，隨著時間的推移，遙遠的星系正越來越快地遠離我們。宇宙中不僅有物質和輻射，而且似乎有一種新的能量形式：我們現在稱之為暗能量。自首次發現以來的22年中，不僅有許多證據證實了暗能量，而且已證明它與宇宙常數之間沒有很大的區別。

圖注：藍色“陰影”表示在過去和將來暗能量密度如何變化的不確定性。資料指向真正的宇宙學“常數”，但其他可能性仍然允許。 重要的是，暗能量成為唯一重要的術語。膨脹率隨著時間的推移而下降，但現在將逐漸增加到約55 km / s / Mpc。

這就是為什麼我們關心空間的真空零點能。來自許多證據的觀測——包括宇宙微波背景、遙遠的光源（如超新星）以及宇宙中星系的聚集——都指向宇宙中暗能量量的同樣微小的非零值。它似乎是空間本身固有的一種能量形式，它似乎不隨時間而改變，它似乎在宇宙各處密度都是恆定的，我們不知道是什麼原因造成這樣。

這就是為什麼我們有如此強烈的動機去嘗試和理解空間的真空零點能是什麼：正是因為我們測量了依賴於它的宇宙膨脹，與這個量的零值不一致。正如氫原子對其基態具有有限的能量一樣，空白空間本身的基態能量也必須如此。

圖注：現代暗能量被視為膨脹宇宙中能量的另一個組成部分，而不是加入宇宙常數。這個方程的廣義形式清楚地表明瞭一個靜止的宇宙不存在，並且有助於直觀地看到增加宇宙常數和包含廣義暗能量之間的區別。

這就引出了一個大問題：為什麼？為什麼空間的真空零點能量就是它的值？有許多似是而非的答案，但它們中的每一個在某種程度上都不令人滿意。

可能是廣義相對論的宇宙常數只是具有它所具有的正值。它允許它承擔任何值，我們觀察到的一切與自熱大爆炸開始以來具有小、恆定和正值的空間的零點能量是一致的。這很有吸引力，因為它不需要呼叫任何新的物理場：我們可以透過設定一個自由引數等於正確的觀測值，來解釋我們觀察到的東西。但它還是令人不滿意，因為沒有任何機制或推理來幫助我們理解它為什麼具有的正值。

圖注顯示量子真空中虛擬粒子的量子場論計算視覺化。（特別是，對於強相互作用）即使在空白空間，這種真空能量為非零，從空間曲率不同的觀察者的角度來看，彎曲空間中一個區域的“基態”看起來也不同。只要量子場存在，這個真空能（或宇宙常數）就必須存在。

另一方面，可能是滲透到宇宙中的所有量子場的真空零點能之和等於暗能量所需的觀測值。也許，如果我們知道如何正確地計算這個值，我們就會得到正確的答案。

這種情況的問題是我們不知道如何進行此計算，我們所有的嘗試都給了我們一個答非常大值。有可能會發生一個近乎完美的情況發生，導致我們得出正確的值，但這是一個艱難的命題下注。這並不是一個令人信服的思路。

但總有一些“新奇的物理”場景需要考慮。可能沒有宇宙學常數，也沒有我們所知道的量子場對真空零點能的貢獻。我們可以假設宇宙中有一種新的場，它可以是：

任何量子引力理論的貢獻都正確，宇宙早期對稱性破壞的遺留物（從大統一尺度、希格斯尺度、中微子區等），簡單地將真空零點能設為當前的非零值，有一個殘餘的能量，從我們早期的膨脹時期到現在還沒有完全歸零，或者說，弦景觀（string landscape）這個高度投機的概念，本身就需要對宇宙在大爆炸前的行為做出許多未經證實的、無證據的假設，只是“落在我們今天看到的值上”，即真空空間的零點能（或真空期望值）的值。

在沒有解決辦法的情況下，所有的可能性——無論它們看起來多麼缺乏動力——都應該加以考慮。

編輯 搜圖

圖注：從根本上講，即使是純淨的空白空間也仍然充滿量子場，這會影響空間真空零點能的值。在我們知道如何執行此計算之前，我們必須對得出的值進行假設，或承認我們不知道如何執行此計算。

但不管真空零點能之謎的答案是什麼，有兩個事實我們不能否認。第一個是暗能量是真實的，有大量獨立的證據證明我們的宇宙不能沒有暗能量。暗能量的行為方式與空間具有非零、恆定的真空零點能不可區分。

第二個事實是，不管解決方案是什麼，我們仍然必須考慮到量子場的存在——這是由物理定律所決定——滲透到我們的宇宙中。在我們知道如何計算這個值之前，任何提出的解決方案，都要求我們對這個值做一個沒有根據的假設。真空零點能與0能量不一樣，這個非零值有許多可能的起源，但其最終原因仍然是個謎。

根據量子力學，真空一點都不空，它實際上是充滿了量子能量和粒子，在一轉眼間閃爍地出現和消失。

從量子力學的角度研究，物理學家發現真空不是空的，其中有能量。這打破了無神論者以往的認知。

根據量子力學，真空中充滿了能量和粒子，並可以測到量子波動（quantum fluctuation）。其實，從1940年就有科學家發現真空不是空的，因為這些量子波動會隨機產生可以影響電子的波動電場。不知為什麼，人類至今還是認為真空就是裡面什麼都沒有，這說明更多的科學家固守著自己的觀念，對事實視而不見，並誤導他人。

65年過去了，2015年，來自德國康斯坦茨大學的艾佛烈‧萊滕施託費爾（Alfred Leitenstorfer）所領導的團隊聲稱，藉由觀察對光波的影響，他們直接偵測到這些波動。但是沒有民眾知道，這些結果只發表在科學期刊，只停留在學術領域。又過了兩年，這個團隊表示，他們已經進一步在真空中偵測到一些變化的奇怪訊號。

報導說，為了做到這點，他們發射一個只維持幾飛秒（飛秒是百萬分之十億分之秒）的超短鐳射脈衝進入真空，然後能夠看到光極化的巧妙變化。他們表示這些變化是由量子波動直接造成的。

科學家們非常吃力的解釋著他們的發現。例如，這個團隊發現當他們在擠壓真空時，有點像是在擠壓氣球，而且會在真空中重新分配這些奇怪的量子波動。在某些點，波動的聲音變得比未壓縮真空的背景噪音還大聲，而在某些部份，它們反而更安靜。

萊滕施託費爾把這點和交通堵塞做比較，當在後面的汽車變多時，在那一點前面的汽車密度會再度減少。

在一定程度上，同樣的情況在真空中發生。當真空在一個地方被擠壓時，量子波動的分佈會改變，結果是它們可以加速或減速。

報導還說，這種影響可以在時域上測量。你可以在下面的圖表看到波動被標示在時空上。中間的隆起是在真空中的擠壓：如同你可以看見，擠壓的結果，波動中有一些光點。但也發生一些怪異的事情，在某些地方的波動看起來好像降到低於背景的噪音程度，低於空白空間的基態（ground state of empty space），科學家把它稱作一個「令人驚訝的現象」。

一份新聞稿解釋：「由於新的測量技術既不用吸收待測的光子，也不用放大它們，所以直接偵測真空的電磁背景噪音是有可能的，因此也可以直接偵測由研究人員從這個基態產生的受控制偏離。」

報導說，這個團隊現在正在測試他們的技術究竟有多精確，以及他們可以從這當中學到多少。即使這些結果到目前為止是令人印象深刻的，仍然有可能這個團隊可能只是做到所謂的弱測量，一種不干擾量子態的測量，但實際上沒有告訴研究人員非常多有關量子系統。如果能夠使用這項技術學到更多，他們想要繼續使用它來探測「光的量子態」。這是光在量子能級（quantum level）看不見的行為。

這些學術界的用詞對於民眾來說，實在是太生澀難懂了，就是其它學科的科學家也不會看明白。其實，扯了這麼半天，用一句話就能說明白，那就是「人說真空是空的，其實不是空的」。