如何定义空就是一个大问题

（自然科学，剑桥）

麦克白夫人怂恿丈夫谋杀了国王邓肯之后备受内疚的煎熬，曾经发出过这样的哀嚎：“什么！这两只手再也不会干净了吗？”本面试题看上去就很像这种问题。嗯，面试官之所以如此绝望地想要抖空这个袋子，一定是因为曾经用这个袋子装过某人的尸体。不过，如此回答上述面试题的时候太过聪明了吧……

好吧，安全起见，还是先从最平庸的回答开始说起。我将袋子里所有肉眼可见的东西全都拿出来以后，这个袋子就变空了。我们在日常生活中就是如此定义“空”这一词的。所以倒空一个袋子用不了多少时间，只需将袋子开口朝下，倒出里面的手机、午餐盒、笔记本和钢笔、印有“我爱贾斯汀·比伯”字样的T恤衫、《成为天才的50种方法》，还有一个装着一叠五英镑钞票的信封，准备面试结果不理想的时候派用场的……

当然，这个空袋子此时并非真的空无一物。除了灰尘、面包糕点碎屑、小碎纸片以及数以百万计的微生物之外，袋子里的每个角落都充满了空气。我把固体物品从袋子里拿出来的一瞬间，空气就涌了进来。空气分子的运动速度很快，眨眼就填满了袋子里的所有空隙。

那么，如果我把空气全都排空了呢？袋子里没有空气就真的变空了吗？我可以用吸尘器把袋子抽成真空状态，就像我们在家里抽真空储存羽绒被那样。这样袋子就能更空一点了吧。当然，袋子应该足够硬实，这样才能抵挡得住外部的气压，不致变成平板一块。实际上，要做到完全密封是不大可能的。就算真能做到不漏气，哪怕用上世界最好的吸尘器也只能达到局部真空的效果。物理学家通过大气压力来计算真空度：气压越低就越接近真空状态。而吸尘器只能通过降低气压达到五分之一的真空度。

如今很多科学实验室和研究所都配备先进的超高真空室，或许我可以把袋子放进去让它变得更空一点。但就连这种科学真空室也做不到完美真空，即使它们可以将气压降至最低万亿分之一大气压，这仍算不上是完美真空。

好吧，现在我真的要绝望了。那就把袋子放到下一艘飞往火星的太空船上，将其扔进外太空，等它里面的空气慢慢发散出去。如果时间够长的话，这样最终应该就可以排空袋子里全部的空气了。但是，“太空”这个词其实具有极大的误导性，因为即使是在看似什么都没有的太空中，每立方米空间还是飘浮着几个氢原子，偶尔有一两个氢原子飘进袋子里也并非完全不可能。就物理理论而言，似乎不可能把袋子清得比这更空了，所以我还是就此举手投降吧。

没错，或许想尽一切办法可以成功捕捉到袋子里最后几个游离的氢原子，但我突然意识到这一切全都是徒劳无益的。

“空”这一概念长久以来一直都是困扰着世界各国思想家的难解之谜。简单说来，如何定义“空”就是一个大问题。如果你我之间空无一物，不存在任何别的东西，那么我们就是彼此相邻的。从语义学看，“空”就意味着不占据任何空间。

亚里士多德等古代思想家认为自然界不存在真空，因为密度较大的物质总是会立刻填满一切空隙，据说亚里士多德关于这个问题说过一句名言：“自然憎恶真空。”实际上他对此还有进一步的阐释，表示虚空在概念上是不可能实现的，因为世界上并不存在“无”这种东西。他据此认定物与物之间的空间填满了一种看不见的介质。德谟克利特的观点与之相反，认为世界只有原子和虚空。一向文风刻薄的他曾经这样写道：“除了原子和虚空，其他一切都是不存在的，有的只是观点。”

这场关于“物质与物质之间到底有什么”的争论两千年后仍在继续。牛顿认为填满空间的是一种没有摩擦力的无形介质，为常规运动定律提供运作的框架。莱布尼茨则认为宇宙的固体物质足以构成运动定律的运作框架，其他的一切都是虚无的空间。

与此同时，伽利略和托里切利均以实验证明了真空这一物理状态的存在。他们将装满水（之后改用水银）的玻璃管倒置于水（水银）槽中，水面下降后玻璃管上端出现一段空间，因为整个操作过程中玻璃管内没有进过空气，没有水的部分一定是真空状态。后来的一些实验证明，这一真空状态也并非一成不变，如果将实验装置带到山上，随着大气压力的降低，真空空间就会变大。如果物理变化能够改变真空的状态，则可推定其必具物理属性。

此后几个世纪，科学家们不断改善该实验，所获得的物理真空效果也越来越好。但是尽管如此，没有人真正了解什么是真空。原子之间存在某种隐形介质的观点在后来提出的“以太”这一概念中得以延续。很多科学家都认为以太是传送光波和电磁所必需的一种神秘介质。阿尔贝特·迈克尔逊（Albert Michelson）和爱德华·莫雷（Edward Morley）于1887年做过一次著名的物理实验，证明不存在任何形式可测量的以太（绝对静止参考系）。由此看来，我的空袋子或许还真的有可能是空的。

随后又出现了量子科学，进一步颠覆了虚空这一概念。量子理论认为电子等粒子并不只存在于一个位置，所有的粒子和场均为波动的概率。就算我的袋子能够做到完全密闭，与外部宇宙隔离，袋子里貌似除了“完美真空”之外别无他物，但里面还是会有电场，有相互作用的夸克。尽管总的电能量平均为零，该真空能量^[1] 还是可以测量的。

因此，我的这个完美真空袋实际上是量子能量的一种“沸腾发酵”，波与粒子不断出现、消失，能量持续波动，达到最低点的时候即被称为真空状态。但就算是在真空状态，能量也还是存在的。

有些理论认为我们所处的宇宙只不过是一种真空能量的波动，和量子真空中的粒子一样源自虚无。在莎士比亚的著名悲剧《李尔王》中，老国王对考狄利娅说：“没有只能换来没有”，以此惩罚不愿用甜言蜜语换取老父亲赏赐的小女儿。事实证明他是错的，就像宇宙的发展，“无”中的确生出了“有”。问题是，这种“有”是一种波动性的存在，因此很有可能会重新归于“无”，很有可能像肥皂泡一样破灭。因此，这个袋子很有可能会在某一时刻变空，就像宇宙一样归于虚无，直到再次出现另外一个宇宙。谁知道呢，在此之前袋子有可能已经空过几百万次或几十亿次，宇宙也有可能已经消失过几百万次或几十亿次。

【注释】

[1]实际上，科学家们如今认为空间内充满真空能量，其产生的压力导致宇宙反重力发展。近年来，远距离超新星的发现显示宇宙的扩张不仅没有减速，反而越来越快，其原因或可归于这种黑暗的真空能量。