廣輿圖
[拼音]：zhenkong
[外文]：vacuum
按照現代物理學的基礎理論──量子場論，物理世界是由各種量子場系統組成的，這些量子場系統的能量最低的狀態（即基態）就是真空。根據這種最新的科學認識，真空並不是“沒有物質的空間”。
真空觀念的沿革
真空詞源本義是虛空，即一無所有的空間。古希臘德謨克利特的原子論認為，所有的物質都是由原子組成，而原子之外就是虛空。中國古代張載、王夫之的元氣學說則與此相反，認為世上萬物皆由元氣形成，而“陰陽二氣充滿太虛，此外更無他物，亦無間隙”。
近代物理學的發展史中，也貫穿著關於真空的這兩種觀點的鬥爭:與虛空論相對立的是以太論，它認為空間中總是充滿了一種叫做“以太”的特殊物質。先是R.笛卡兒提出以太旋渦說，企圖解釋行星圍繞太陽的公轉，但為I.牛頓的萬有引力定律所否定。之後有人認為引力是超距作用，無需以太作為傳遞媒介。19世紀光和電磁場的波動性的發現，又復活了以太的觀念，光和電磁波被解釋為以太的機械振動。然而A.愛因斯坦的狹義相對論指出，光和電磁場本身就是一種物質，可在空間中傳播，又否定了以太存在。
如果真空是沒有任何物質的空間，那末真空本身的各種性質是由什麼決定的呢？愛因斯坦在用場的觀點研究引力現象之後，便意識到真空即空的空間這一觀念有問題，曾提出過真空不過是引力場的一種特殊狀態的想法。其後，現代物理學的發展，終於獲得了對真空的科學的認識，即真空是量子場系統的基態。在這個過程之中，P.A.M.狄喇克關於真空是負能態電子之海的觀點，起了重要的決定性作用。
現代物理學的真空觀
現代物理學認為，量子場是物質的基本存在形式，量子場的激發或退激即代表粒子的產生或消失。量子場系統的能量最低狀態，亦即基態就是真空。這個基態形成自然界的某種背景。一切物理測量都是相對於這個背景進行的。對各種激發態而言，這個基態代表沒有任何物理粒子的狀態。也就是自然界中的真空。
按照量子場論，處於真空態中的各量子場仍處於不斷運動之中。首先，量子場的各振盪模式在基態中仍不停地振盪（真空零點振盪）。如果量子場能夠侷限於有限的空間內，則當此有限空間的體積發生變化時，侷限於其中的量子場的零點振盪能量將發生有限的改變，從而導致可觀察的後果（卡西米爾效應）。此外，真空中的各量子場仍有相互作用（包括自作用），因而真空中不斷地有各種虛粒子在產生、消失和相互轉化（真空漲落），甚至可能存在某種粒子束縛態或集體激發態的相干凝聚（真空凝聚），所以真空本身就是極其複雜的，某種意義上像是媒質。
在量子場論中，對真空的研究非常必要，這是因為，微觀粒子不可避免地要與真空中的虛粒子云或凝聚發生相互作用，所以嚴格考慮任何微觀現象時都必須計及真空的影響；此外，由於物理粒子無非是真空的激發態，物理粒子的性質便與真空的性質有極為密切的關係。另一方面，量子場論又使真空的研究成為可能，因為真空的性質現在是由量子場之間的相互作用（包括自作用）決定的。真空的性質不再是物理學上的公設，它已變為可以研究的動力學問題。隨著對真空物質的認識，真空的複雜性、多樣性、真空的發展變化等問題都被一一提上了物理學研究的日程。這些過去不可思議而現在非常現實的物理問題的研究工作，正在不斷地革新著人們的物理思想，為物理學的新發展開闢前進的道路。
真空極化
這是粒子－真空相互作用的一個重要體現。例如，帶正電的粒子會吸引真空中的虛電子，排斥虛的正電子，從而改變虛粒子云的電荷分佈。這種現象很類似於巨集觀媒質的極化，叫做真空極化。在微擾論中，真空極化用光子（代表外電荷的電磁場）傳播子的輻射修正圖來表示；最簡單的真空極化圖是，光子變成虛粒子對，再變成光子。
真空極化會反過來影響粒子的性質，導致許多物理效應。首先，粒子本身的電荷（裸電荷）被周圍極化的真空中反號感應電荷所遮蔽，使遠處檢驗粒子測到的電荷（物理電荷）不同於裸電荷。這叫做電荷的重正化。這些都會導致可觀測的後果，如氫原子能級的蘭姆移位和電子的反常磁矩。在量子電動力學中，由於粒子的電荷很小，真空極化的效應是很微弱的。儘管如此，實驗還是以極高的精度驗證了這些效應，使真空極化和量子場論觀念獲得了科學的證實。
真空（對稱性）自發破缺
量子場不同型別的相互作用(包括自作用)，會導致不同型別的真空態。從對稱性的角度看，早先總是習慣性地假設真空的對稱性和相互作用的對稱性一致，這就是所謂正常(普通)真空；量子電動力學的真空就屬於這種型別。然而，也有真空的對稱性小於相互作用的對稱性情形，即發生了真空（對稱性）的自發破缺。這種現象很類似於鐵磁媒質中空間各向同性的自發破缺：分子的磁作用總是空間轉動不變的，但鐵磁媒質基態中自發磁矩的定向排列破壞了各向同性。
是否有真空（對稱性）自發破缺，取決於量子場系統的具體的相互作用（包括自作用）。一般說來，如果系統的能量最低態是唯一的，則為正常真空；而如果存在多個能量相等的最低態（即簡併的基態），且物理真空只是其中的一個狀態，這時就會發生真空(對稱性)自發破缺。
在對稱性破缺的真空中，總凝聚著許多零動量的虛標量粒子（基本場量子或束縛態）；這是此種新型真空態與正常真空不同之處。物理上，是一定的相互作用造成了真空零動量玻色凝聚，而後者的存在又破壞了相互作用原有的對稱性，從而造成對稱性的自發破缺。理論上，這個真空凝聚的密度，是用某個場運算元或複合運算元的非零真空平均值來描寫。它是個很重要的物理量，叫做真空的序參量。
真空(對稱性)自發破缺，可以引起一系列新的物理現象。
（1）按照戈德斯通(Goldstone)定理，當有對稱性自發破缺時，系統中一定會出現某種零靜止質量的激發態；它可以是個基本粒子也可以是個複合粒子，叫做戈德斯通粒子；
（2）當相互作用的規範對稱性自發破缺時，戈德斯通粒子不是物理粒子，它變成了規範介子的縱向自由度。這是原來沒有質量的規範介子獲得了靜止質量。這就是有名的黑格斯機制。它的好處是在使規範介子獲得質量的同時，仍然保持規範理論原有的可重正化性。
在粒子物理中，強作用的手徵對稱性和弱作用的規範對稱性，都被認為是自發破缺的對稱性。對於手徵對稱性，序參量是複合夸克場的真空平均值〈徰(x)ψ(x)〉，戈德斯通粒子是π介子，對於弱作用規範對稱性，序參量是黑格斯標量的真空平均值，傳遞弱作用W±和Z0規範介子獲得102GeV量級的質量，從而解釋了弱作用的短程性。但是黑格斯粒子還未發現，黑格斯機制尚未得到實驗證實。此外，在許多探索性理論（如大統一、超對稱和超引力、強C P問題的某些理論方案）中，真空自發破缺都起著重要的作用。
真空相變
與媒質類似，真空也存在相和相變。同樣的量子場系統在不同的條件（如溫度、粒子密度和外場強度等）下，也可能有不同型別的真空態，叫做不同的真空相；例如，正常真空叫做正常相，對稱性破缺的真空叫做破缺相。此外，在一定條件下，真空的對稱性可能發生突變，更一般的，不同的真空相可以彼此轉變，這就是真空相變；另外，不同的真空相在適當條件下可共存，從而使得某一區域內的真空具有與鄰近區域的真空極其不同的性質。這些量子場論理論上的可能性，為粒子物理探索新現象、發現新機制提供了新的概念和思路（被應用於量子色動力學的“色禁閉”問題、早期宇宙論、“反常核”理論及重離子碰撞理論的探索中）。
真空是量子場的一種特殊狀態，這已成為現代物理中為實驗證實的一個基本觀念。它向人們提出了研究真空本身和真空－粒子相互作用的新課題。真空理論的發展，不僅為粒子物理學提供了新的概念、新的物理影象和思路，而且揭露了現存理論中的某些深刻的矛盾。人類對真空的認識還只處於初級的探索階段，還有許多問題待研究，許多現有的理論上的考慮有待實驗的檢驗。對於真空的認識，已經而且必將推動量子場論和粒子物理學的發展，已經而且必將進一步從科學上豐富和證實辯證唯物主義關於物質、運動和時間空間的學說。