宇宙大部分是真空。在星系之间的遥远区域，你可能很难在一个路易斯安那巨蛋大小的空间里找到一个原子。原子在我们的固体、液体和气体世界中排列得更密集，但即使在这里，也没有你想象的那么拥挤。原子的特写镜头会显示，携带99.9%重量的原子核，就像一个悬浮在巨蛋中心的BB弹；除了少数电子像幽灵般的蚊子一样在体育场内飘荡，其余的都是空旷的空间。
既然我们和我们的世界是由如此虚无缥缈的物质构成，那么科学家们花费如此多的思想和精力（更不用说金钱）试图解开物质之谜就显得令人惊讶。难道他们不应该更担心真空的本质吗？真空在很大程度上是宇宙的主要组成部分。
事实上，许多人一直在做这件事，他们发现的结果令人震惊。真空比看起来要活跃得多。这并非新闻，尽管它是二十世纪的发现，是量子力学的结果。新鲜的是，就在过去几年，人们认识到这种动态真空可以被塑造和操纵。很快，它可能成为新型电子设备的工作组件。现代物理学已将真空从一个被动的物质活动舞台转变为一个活跃的实体。真空存在；但它也发挥作用。
这是一个古老二元论的恰当解决，一场在物理学和哲学核心地带激荡了近2500年的争论。与物质的存在不同，物质的存在很少受到质疑，而真空的存在自科学诞生以来一直是争议的主题。
真空是希腊哲学家留西普和他的学生德谟克利特在公元前五世纪的原子假说的一部分。他们的作品流传下来的不多，但德谟克利特的一段残片至今仍保留其新鲜和力量：按惯例有甜，按惯例有苦，按惯例有冷有热，按惯例有颜色；但实际上只有原子和虚空。历经数个世纪，这一洞察力仍然是对现代物质概念的简洁总结。
德谟克利特需要虚空来理解世界。如果物质真的像看起来那样连续且不间断，那么一把刀要在哪里找到空间来开始切割一块木头呢？牛奶又如何在水中溶解呢？如果原子之间存在真空——以容纳刀刃，或允许牛奶原子与水原子混合——这些难题就能令人信服地解决。然而，德谟克利特的思想很快就遇到了麻烦。麻烦在于，你无法看到原子。因此，那些对世界架构缺乏直观洞察力的哲学家们拒绝了原子以及分隔它们的真空。
原子论最强劲的反对者是亚里士多德，他认为完全的虚空在哲学上是不可接受的，不幸的是，他注定在科学事务上被视为至高无上的权威长达一千多年。亚里士多德用以太填充了真空。以太是星辰和天堂的物质，但也渗透到我们卑微世界的四种元素——土、火、气和水之中。
作为一个想法，它具有惊人的持久力。即使当这四种元素被证明并非基本元素时，以太依然存在，就像它在亚里士多德最初提出以太的原因消失后仍然存在一样。到了十七世纪，他对真空的哲学反对意见已经消退；科学家们借助新发明的真空泵（一种从密封容器中吸出空气的装置），实际上已经制造出了真空，或者接近真空的东西。尽管这些实验性真空并不完美（我们仍然无法制造出完美的真空），但至少已经有可能想象一个完全空旷的空间。然而以太仍然存在。事实上，它再次崛起，成为十九世纪物理学的重要组成部分。
以太复兴的工具是光的波动理论。当发现光由波组成时，自然而然地产生了一个问题：什么波？我们习惯于空气中的声波，海洋中的水波，甚至是琥珀色的麦浪，但我们无法想象虚空的波。然而，光与声音不同，它能穿透看似空旷的空间——例如，它从太阳到达我们。物理学家们推断，空间不可能真正是空的。它一定充满了以太。
然而，这种以太比亚里士多德的以太具有更明确的物理性质。我们知道声波在水等密度较大的介质中传播速度比在空气等稀薄介质中快。由于光速如此之高——每秒18.6万英里——以太必须极其坚固，甚至可以说是固体。然而行星却能在其中穿行而没有任何可检测到的阻力。这种以太确实是一种奇异的物质，它同时比钢铁更致密，比空气更稀薄，但一个世纪前的物理学家们却看不到没有它该如何解释。
然而，从1887年开始，他们开始对其真实性产生严重的怀疑。那一年，美国物理学家阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷进行了一项巧妙的实验，旨在证明以太的存在。他们认为，如果地球在一个静止的以太中运动，它应该会感受到一股以太风。当光逆着这股逆风传播时，它应该比顺着风传播时速度更慢。迈克尔逊和莫雷制造了一个名为干涉仪的装置，可以测量这种微小的效应。他们什么也没发现；光速是恒定的。因此，以太的基础被动摇了。
1905年，阿尔伯特·爱因斯坦彻底推翻了这个长达2400年的理论大厦。在他关于狭义相对论的第一篇论文（该论文引发了一场物理学革命）的引言中，他简单地宣称以太假说是多余的。对于那些可能反驳波需要介质来传播的批评者，他实际上回应说：对于某些波来说可能如此，但对于光来说，情况并非如此。以太就此退场。
因此，被“清洗”的真空在四分之一世纪内保持空无一物，但随后它又开始重新填充——这次是量子理论的概念成果。量子力学于1925年作为牛顿力学的替代品引入，用于描述光发射和吸收等原子现象。结果表明，它对真空也具有影响。这里的关键概念是著名的不确定性原理，它禁止同时确定粒子的位置和速度。正如汤姆·斯托帕德在他的戏剧《幸福》中所说：当你了解它在做什么时，你无法确定它在哪里；当你了解它在哪里时，你无法确定它在做什么。
然而，不确定性原理不仅仅是对我们思维局限性的描述；粒子的位置确实具有固有的不确定性。一个结果是，粒子和其他运动系统都具有所谓的零点能。例如，分子的内部振动永远无法完全消除。总是会剩下最后一点不可约减的颤抖，就像风中颤抖的白杨叶。即使分子实际上处于静止状态，其位置仍然不确定。这种零点运动实际上已在实验室中测量到，它表现为分子发出的光的模糊。
零点能也影响着真空。根据詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在19世纪提出的理论，光由电场和磁场组成，它们在传播过程中相互振荡并相互作用。根据量子理论，这些振荡场受到零点能的影响。因此它们永远不会完全消失。一个完全黑暗的真空仍然弥漫着电磁场，它以各种波长的随机微弱波形式波动，每个波长都有其自身的零点能。更重要的是，由于存在无限多的这种真空涨落，所有零点能的总和，即使在一个紧凑的体积中，例如一立方英寸，也必须是无限的。不可能致密的以太已经被渗透整个宇宙的无限能量密度所取代。
不足为奇的是，思想奔放的发明家们提出了各种从真空中获取能量的想法。但大多数物理学家将这些方案斥之为异想天开。真空能量似乎就像诺克斯堡的金子——它储量丰富，但你无法在不违反几条定律的情况下获取它，在这种情况下，是物理定律。因此，物理学家们很乐意忽略它。
但量子力学预测了一种比电磁真空涨落更为奇异的现象。偶尔，一个涨落会携带足够的能量，物质化成一对新粒子。突然之间，在短暂的瞬间，一个负电子和它的反物质孪生体——一个正电子，凭空出现。它们共同维持了真空的电中性，并在瞬间相互湮灭，消失得无影无踪。然而，如果附近恰好有一个强大的正电荷，电子将被吸引，而正电子将被排斥，因此在其短暂的生命周期中，这对粒子可能会像指南针一样排列。这样，真空就会暂时被极化。
动态真空就像一个夏夜宁静的湖面，水面泛着微弱的涟漪，而四周电子-正电子对像萤火虫一样时隐时现。它比德谟克利特令人望而生畏的空虚或亚里士多德冰冷的以太更活跃、更友好。同时，它代表了他们对立概念的综合，也是他们长期战争中的一项和解：德谟克利特坚持世界由原子和虚空组成是正确的，而亚里士多德说不存在绝对空虚也是正确的。作为一个理论概念，动态真空一直具有巨大的吸引力。但它的存在必须在实验室中得到证明。
现代真空的实验发现，如同一出分为三幕的戏剧，第一幕发生在二战刚结束后的哥伦比亚大学。1947年，威利斯·兰姆和他的助手罗伯特·雷瑟福德将战时开发的雷达技术应用于氢原子研究。氢原子只有一个电子，到1947年，已经有了一套完善的理论来解释电子在吸收或发射辐射时所做的量子化能量跃迁。通过向氢原子照射微波，并观察哪些波长被吸收，哪些没有，兰姆和雷瑟福德精确测量了能量水平。他们发现理论与实验之间存在微小的差异，大约百万分之一——即所谓的兰姆位移。
这个差异立即被归因于真空效应。当电子绕氢原子核（一个质子）运行时，它暴露在真空的涨落中，这导致它略微前后抖动。这种效应使电子的路径变得模糊，使其能量产生微小变化。更复杂的是，真空的极化也对兰姆位移有贡献，但由于它仅源于那些恰好携带高能量的异常涨落，所以其效应要小得多。兰姆位移的实验值及其通过真空涨落和极化进行的理论解释之间的精确吻合，是虚空对原子产生影响的明确证据。
戏剧的第二幕发生在1948年的一家工业实验室。亨德里克·卡西米尔在荷兰飞利浦研究实验室工作，试图确定真空是否可能在两个中性原子之间产生可检测的力。由于原子是复杂的三维物体，卡西米尔首先试图通过想象两个理想化的二维物体来简化问题：真空中的两个大而平行的金属板。他假设没有气体对板施加推力，板足够冷以至于热辐射可以忽略不计，它们都是电中性的，并且它们相互的引力小到可以忽略不计——简而言之，经典物理学中没有任何东西会导致板之间产生力。
然而，当卡西米尔考虑量子力学真空时，他意识到存在于平板外部的一系列电磁涨落将被排除在平板之间的间隙之外。而这种限制将产生可测量的效应。
卡西米尔效应，如今以此命名，一点也不明显，很难找到一个日常的类比，但也许一个有些刻意的类比会有所帮助。想象一个巨大的充满水的池子，你可以在其中以某种方式产生各种波长（从一个波峰到下一个波峰的距离）的波，并将它们向所有方向发送。池子中央有一堵平坦的垂直墙。各种波，从微小的涟漪到长长的滚浪，从左侧推动墙壁。但类似的波也从右侧推动，所以力相互抵消。
现在考虑另一堵平坦的墙，与第一堵墙平行并相距十英尺。在墙壁之间的空间里，水波荡漾得和外面一样欢快（再次强调，别担心涟漪是如何产生的）。但没有长长的滚浪。原因很简单：为了保持水的总量不变，波必须既有波峰也有波谷。因此，只有那些整个波长都能容纳在十英尺间隙中的波才能在那里生长。最终结果是，有一些长波从外面撞击墙壁，而这些波在里面没有被抵消。这些波将两面平行的墙壁推向彼此。
暴露在真空涨落中的金属板的行为非常相似。一个简单的计算使卡西米尔得出令人惊讶的预测：将长波长涨落排除在两个中性板之间的间隙之外，会导致这些板相互吸引。他的主张很快得到了验证，并且虽然这个力极其微弱，但被发现是真实存在的。尽管它的微不足道，卡西米尔效应却如此令人惊讶，以至于40多年后，它仍然对物理学家们产生着强大的吸引力。1987年，卡西米尔自豪地引用了483篇关于他的发现的参考文献。
与此同时，动态真空戏剧的第三幕已拉开帷幕。最新的进展涉及真空对单个原子吸收和辐射发射的影响。当原子被激发时，即通过暴露于热、光或电火花吸收能量后，它很快会衰变回其原始状态。在这个过程中，它会自发地向周围的真空发射光或无线电波。（这就是灯泡中发生的情况。）自发辐射过去被普遍认为是原子的固有属性，就像炸弹一旦点燃引信就必然爆炸一样。
但如果真空没有准备好接收辐射会发生什么呢？卡西米尔效应表明这种情况是如何发生的。如果真空恰好被封闭在一个非常狭窄的金属笼中，狭窄到连辐射的一个波长都无法容纳，那么真空将不具备接收能力。原子的自发衰变将被阻止。
这是现代利用动态真空的关键。它基于这样一个认识：自发辐射并非原子独自完成的事情，而是原子与真空之间相互作用的结果。通过调整真空的几何形状（例如，改变两个平板之间的间隙），可以人为地抑制自发辐射。令人惊讶的是，也可以通过将激发原子放入一个能与其特定波长共振的容器中来增强自发辐射，就像风琴管与特定波长的声音共振一样。在这样的容器中，激发原子会比正常情况下更快地发射辐射并回到其基态。这就像真空正在将辐射从原子中拉出来。
在丹尼尔·克莱普纳的麻省理工学院实验室里，这位研究领域的领导者之一，工作的重点是第一个过程，即发射抑制。克莱普纳的装置由两块平行的铜板组成，长约六英寸，相距十六分之一英寸。一束铯原子被激发到高能态，然后被导入两板之间的间隙。在原子进入通道之前，它们被定向，使得它们的自发辐射（如果发生的话）会垂直于板面。在板的远端，一个监测器会计算有多少铯原子发生了辐射，有多少原子在没有辐射的情况下穿过了间隙。
当间隙相对较宽时，大部分原子在六英寸的行程中都会辐射并衰变回基态。监视器显示一个稳定而微弱的信号，表明只有少数铯原子保持激发状态。但当间隙变窄到只有半个波长宽时——也就是说，窄到只能容纳一个波峰或波谷时——情况突然发生了变化。监视器信号显示，更多的原子保持激发状态——显然是因为自发发射被抑制了。
布朗大学的纳比尔·拉万迪和乔迪·马尔托雷尔用不同的实验设计取得了类似的结果——一个由聚苯乙烯小球组成的晶格，每个小球直径约百万分之一英寸，像炮弹一样堆叠在水浴中。小球如此之小，以至于水看起来像牛奶。拉万迪和马尔托雷尔将染料分子引入小球之间的微小空间中，然后用激光束激发这些分子。通常情况下，分子会通过发射红光迅速回到基态。但在小球之间的狭窄空间里，红光的空间不大。研究人员在1990年10月报告称，结果是染料分子保持激发状态的时间几乎是正常情况下的两倍。由于正常寿命只有几十亿分之一秒，所以这种效应并不引人注目。但这是实现完全抑制自发辐射的第一步。
如果能实现这个目标，回报将是改进的激光器。激光（laser）这个词的最后三个字母代表“辐射的受激发射”，指的是该设备的工作原理。受激发射是一种人工诱导的辐射类型，它被随机、无序的自发发射竞争过程所破坏。如果能消除自发发射，激光器就能达到前所未有的效率、纯度和功率水平。
更好的激光器只是我们新发现的修改真空能力可能催生出的几项技术之一。然而，从更基本的角度来看，对真空的操控阐释了现代物理学的一个主要教训。与它破碎的表象相反，世界在最基本的层面上是一个相互连接的整体。容器的壁、它所包围的真空以及中心原子，不再能被想象成独立的实体。就像其他重要的哲学分界线——主体与客体、心灵与身体——物质与真空之间的界限也变得模糊了。
德谟克利特凭借直觉和理性洞察了自然的深处，他认为现实存在于原子和虚空之中；亚里士多德凭借直觉和理性认识到没有任何空间可以是绝对空虚的。但这两个人都无法预见我们今天所学到的：恒星、原子和真空，都属于一个单一、无缝的整体。
