当下一场革命席卷物理学时，很有可能是关于“无”——真空，那个无尽的虚空。在这个领域，时间的伸展和空间的弯曲是常规的工作假设，而真空却像一个宇宙的公案。就像在物理学的其他领域一样，它的本质被证明是令人费解的怪异：空的空间并非真的空，因为“无”包含了“有”，充满了能量和粒子，它们不断地出现又消失。物理学家们早就知道了这一点，自从量子力学诞生以来。但直到最近10年，真空才成为中心舞台，成为诸如暗能量和暗物质的本质等令人困惑的谜团的源泉；直到最近，虚空才变成了一个诱人的灯塔，吸引着那些被认为古怪的人。正如一位金发名媛，空虚的化身可能会说的那样，“无”才是热门。
为了探究虚空的奥秘，一些物理学家正在使用有史以来建造的最大科学仪器——刚刚完工的欧洲核子对撞机，一个横跨法瑞边境的庞大粒子加速器。另一些人则在设计台式实验，看看他们是否能从真空中挖掘出为奇怪的新纳米技术设备供能的方法。“真空是我们知识的边界之一，在那里我们只剩下各种听起来疯狂的想法，”加州大学河滨分校的数学物理学家约翰·贝兹（John Baez）说。无论是在对宇宙膨胀引擎的富有远见的探索中，还是在近乎徒劳的追求永恒自由能的过程中，真空都是事关重大的地方。通过挖掘真空的财富，一个真正的万有理论或许就此诞生。
空的空间并非总是如此神秘。直到20世纪20年代，物理学家们对真空的看法还和我们大多数人一样：是一种没有特征的虚无，一个真正的空洞。这一切随着量子力学的诞生而改变。根据该理论，粒子周围的空间充满了无数“虚粒子”，它们就像看不见的烟花表演一样，迅速地产生又消失。
这些虚量子粒子不仅仅是理论上的抽象。60年前，一位名叫亨德里克·卡西米尔（Hendrik Casimir）的荷兰物理学家提出了一个简单的实验，以证明虚粒子可以在现实世界中移动物体。他问道，如果两块金属板非常靠近地放置在完全真空的空间中，会发生什么？在量子力学出现之前，物理学家们会说，这两块板只会静止不动。但卡西米尔意识到，所有虚粒子——也就是空空间的物质——在板外产生的净压力应该会施加一个微小的力，一个来自虚无的推力，将两块板推在一起。
几十年来，物理学家们一直在试图精确测量卡西米尔力，但直到1997年技术才赶上理论。那一年，物理学家史蒂夫·拉莫罗（Steve Lamoreaux），现任耶鲁大学教授，成功地探测到了两块微小表面之间相隔几千分之一毫米的微弱卡西米尔力。它的强度大约相当于一个红细胞的重量施加在手掌上的力。
起初，大多数物理学家认为卡西米尔力是一种量子怪癖，没有什么实际价值。现在情况已经改变：有远见的人们认为它是驱动微小机器、纳米级器件的重要动力源，并且一些实验室正在研究如何利用这种力来克服常规机械设计的局限性。哈佛大学的物理学家费德里科·卡帕索（Federico Capasso）领导着一个小团队，他们正试图通过调整板的形状或所用的涂层来制造一种排斥性的卡西米尔力。他的所有实验都可以在桌面上完成，他处理的物体非常小，大多数都需要显微镜才能看到。
“一旦两块板之间存在排斥力，就应该能够消除静摩擦，”卡帕索说。这可能会带来一系列有用的应用，包括微小的无摩擦轴承或不接触就能旋转的纳米齿轮。“但实验极其困难，所以我无法告诉你何时以及如何实现。”
尽管卡西米尔力充满了奇异，但它可能是空的空间中唯一不让当今物理学家感到困惑的特性。它是普通的量子力学，虽然怪异，但并非意料之外。而暗能量就不能这样说了，这是天文学家十年前在观测遥远的超新星时的一个惊人发现。这些爆炸揭示了一个膨胀速度越来越快的宇宙，这一发现与之前预期宇宙膨胀应受到所有物质的集体引力作用而减慢的观点相悖。一种未知的能量形式——物理学家们简单地称之为暗能量，因为缺乏更具描述性的术语——似乎内建于空间本身的结构中，它抵消了物质的引力作用，并将宇宙中的一切推开。一些理论家推测，暗能量可能导致宇宙失控膨胀，在大约500亿年后引发所谓的“大撕裂”，将宇宙撕裂，甚至将原子分解。
这些观测使得物理学家能够通过推断产生加速效应所需的力来估算暗能量的量。结果是，每立方米的真空中的能量含量微乎其微。然而，由于宇宙大部分由空的空间组成，这点微小的能量累积起来，总的暗能量就完全主导了宇宙的动力学。
随着暗能量的发现，随之而来的是棘手的问题：这种能量是什么？它从何而来？物理学家们根本不知道。根据量子力学，空的空间的能量来自于其中存在的虚粒子。但当物理学家们用量子理论的方程来计算这种虚能量的量时，他们得到一个荒谬巨大的数字——大约比实际值大了120个数量级。如此巨大的能量会彻底炸开宇宙：我们几英寸远的物体会被推到天文数字般的距离；宇宙将以每10-43秒翻一番的速度膨胀，并一直翻倍直到所有的真空能量都消失。这可能是科学史上观测与理论之间最巨大的鸿沟。这意味着物理学家们在理解宇宙运作的基本方式上缺失了什么。
“我们基于最好的理论做出了预测，结果却大错特错，错得离谱，”加州理工学院的理论物理学家肖恩·卡罗尔（Sean Carroll）说。“这意味着我们不仅仅是微调这里或那里的一个参数；我们真的需要深入思考我们的理论。”
即使没有人知道空的空间的能量来自何处，或者为什么它具有这个值，但现在无疑它确实存在。如果存在能量，就肯定有人在思考如何利用它。来自空的空间的无限能量的概念激发了无数梦想家，他们渴望开发出终极永动机，一台能永远解决世界能源问题的机器。在互联网上快速搜索“自由能”和“真空”这两个词，会发现无数关于获取真空能量的方案。我问约翰·贝兹，这些努力是否和以往的永动机一样毫无希望？它们是否同样疯狂且注定失败？
“也许不像证明世界是平的那么注定失败，”贝兹说。“我能肯定地说的是，我真希望它不会成功，因为如果你能从真空中提取能量，那就意味着真空是不稳定的。对于普通物理学家来说，”他笑着补充道，“真空的定义是它是可能的最低能量状态——它比其他任何东西都拥有更少的能量。”简而言之，贝兹说，虽然我们可能能够从真空中获取能量，“成功将意味着宇宙比我们以往想象的要不稳定得多。”
推理如下：如果真空不是可能存在的最低能量状态，那么在未来的某个时刻，真空可能会落入一个更低的状态，释放出威胁宇宙结构的能量。如果某个聪明的工程师真的能够从真空中提取能量，这可能会引发一场以光速传播的链式反应并摧毁宇宙。是的，是自由能源，但并非发明家们所期望的那样。
所以，也许我们不会从真空中获取能量，但我们可能很快就会从空的空间中获得一些不同的益处：证实一项已有40年历史的理论，并且，如果幸运的话，还能获得一些革命性的新物理学。
今年秋天，欧洲核子对撞机（LHC）将在一个长达17英里的圆形轨道上，以接近光速（99.99%）的速度将质子向相反方向加速。在随后的碰撞产生的碎片中，物理学家们期望找到空的空间中另一个奇怪组成部分的证据，这个组成部分将解释粒子为何具有质量。除了虚粒子和暗能量，理论家们认为宇宙中存在一种叫做希格斯场的物质。与暗能量一样，希格斯场被认为弥漫在所有空间中。但与暗能量的发现不同，暗能量是完全出乎意料且至今仍无法解释的，而希格斯场的探测并不会让物理学家感到意外。自1964年爱丁堡大学的物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）提出其存在以来，他们一直在寻找它。
希格斯想解释为什么物质有质量，特别是为什么每种粒子质量不同。他理论上提出了一个充满所有空间的不可见场，并认为粒子通过与该场的相互作用获得质量。我们所理解的粒子的质量，实际上是它与希格斯场相互作用的强度。用一个不太恰当的比喻来解释，想象一下推动一个弹珠穿过糖浆：糖浆越粘稠，推动它的阻力就越大。
如果希格斯场确实存在，LHC应该能发现一种以前未见的粒子，称为希格斯玻色子。正如光（一种电磁场）由称为光子的粒子传递一样，物理学家们期望希格斯场的赋予质量效应是由希格斯玻色子传递的。
发现希格斯玻色子将能回答我们现实中最基本的一个难题，但物理学家们对此似乎异常冷淡。“如果它被发现了，其实也不会那么令人兴奋，”贝兹说。“可能会是一种解脱。嗯，它会令人兴奋，但只是因为你丢了钥匙又找回来的那种兴奋。肯定会有人因此获得诺贝尔奖，但最初的兴奋过后，粒子物理学家们会变得烦躁，因为这只会意味着我们一直认为是真的就是真的，而我们仍然不理解的事情我们仍然不理解，而且仍然没有新的证据。”
然而，一些研究人员预计 LHC 会发现一些真正崭新的东西——额外的空间维度。根据M理论——解释物理学基本运作的最新、最大胆的尝试——我们周围的空间可能由多达11个维度构成。M理论提出，宇宙的终极构件不是粒子，而是微小的能量振动循环，或者说是物理学家们称之为弦的物质。由于复杂的数学原因，这些弦需要在11个维度中振动；否则理论就无法成立。我们在日常生活中只体验到四个维度（三个空间维度和一个时间维度），因为另外七个维度据称非常小，以至于我们注意不到它们。它们只在亚原子尺度上显现。
想象一个高空走钢丝的表演者，可以帮助我们理解这一点。对于走钢丝的人来说，钢丝本质上是一维的，一条指向一个方向的线。但是一只蚂蚁在钢丝上爬行时，会看到它是一个三维物体；蚂蚁可以完全绕着钢丝爬行，体验到一个走钢丝的人无法触及的维度。弦论者会说我们就像那个走钢丝的人，只不过我们的“钢丝”是一个11维空间，而我们只能感知其中的四个维度。
M理论的倡导者们在说服一些同事相信所有这些额外维度的存在方面遇到了困难，但LHC可能会赢得一些支持者。如果额外维度确实存在，那么碰撞产生的粒子中的一些可能会滑入其他维度，而来自更高维度的粒子可能会溢出到我们的四维世界。所以，如果物理学家们在加速器中注意到粒子数量上的短缺或盈余，这可能是即将到来的全新物理学的第一个证据。“大概无论什么真理，最终都会是疯狂的，因为历史上来看，物理学的真理似乎总是比你能想象到的任何事物都要更加遥远，”贝兹说。
一些物理学家喜欢认为M理论将构成他们称之为“万有理论”的基础，这是一套将完整描述宇宙所有奇异之处的定律，其中暗能量、量子理论、额外维度和杂志读者都将融入一个整洁的整体。但最终，宇宙真理的关键很可能来自于另一个通往现实的窗口——逼近的虚空。一个好的“关于无的理论”可能正是物理学家们长久以来所寻求的“关于一切的理论”。
