2019年12月11日，《自然》杂志报道了一项足以撕掉全世界物理课本的研究：声音能够在真空里传播！我们初中的物理课本说：声音的传播是需要介质的，所以真空中是无法传播声音的。到高中之后，我们的物理书又进一步解释道：声音的本质是物质分子的振动所引起的一种波，因为真空是空的，当然也就没有物质分子的振动，所以振动的声波就传不过去。实验事实是不会错的，那么我们的教科书错了吗？
其实在上面这段话里，我们“理所应当”地认为真空是全空的。但是，在量子世界里，没有任何事情是理所应当的。那么，真空里到底有什么？这和声音在真空中传播有什么关系？别急，我们马上就来说一说关于“真空不空”的故事。在这个故事里，我们将会看到，真空里的东西不但能传播声音，还是让壁虎能够趴在墙上的原因，更是大名鼎鼎的霍金辐射（也称黑洞辐射）的源头。
约100年前，人们已经知道，原子中的电子如果吸收能量，那么自己的能量就会升高；如果想跳回原来的状态，必须要通过释放一份电磁波的形式来释放能量，这份波被爱因斯坦称为光子。但人们还发现，有时电子不用吸收能量，也会主动释放光子，这一现象叫做自发发射。1927年，物理学的一代宗师狄拉克给出了一个解释。他认为：真空中虽然看起来没有葡萄也没有葡萄皮，但这只是表面现象。
真空中存在着许多的“葡萄-葡萄皮”组成的对子，它们产生得很快，消失得也很快，差不多同时发生，使得真空表现得像是没有葡萄一样。这一假说由于完美解释了自发发射而获得了成功。经过一系列修正和重塑之后，这套理论发展为后来的量子场论。其主要观点也很简单：首先，对于任何物质（或能量）来说，都有一个与之对应的“场”，例如光子对应电磁场，电子对应电子场。
场可以看作是由许多被弹簧连着的小球组成的，每个场都充满着整个空间。
1948年，荷兰理论物理学家卡西米尔通过纯理论计算找到了一种验证上述理论的方法，这就是著名的卡西米尔效应。设想有一个大的真空空间，其中有两个平行金属板。由于两板之间的空间相对于板外来说比较小，因此如果量子场论是正确的，那么板间的场里含有的小球数应该少于板外空间。
那么，板间的小球对板的撞击力应该小于板外小球对板的撞击力，所以板会受到外界的挤压力。很快，这一理论预测的现象就被观测到了。在真空中的平行金属板受到了真空施加的挤压力。也就是说，真空里确实有很多小球！真空不是空的！由于板间的场涨落产生的粒子少，因此会感受到外面空间产生的压力，这就是卡西米尔效应。
量子场论认为，所有的物质和能量都可以对应一个真空中的场，那么声音作为一种振动能量，也可以对应一个振动能量的场。让我们再次考虑两个真空中的平行金属板，它们之间存在上述的振动能量场。如果在一个板上施加振动能量，这个能量会和板间的振动能量场发生交互，从而引起另一片金属板的振动，这便是声音的卡西米尔效应。也就是说，声音可以通过真空传播。
在微观层面上，分子振动也是一种热现象，因此声音能穿过真空而传播，也就意味着热量也可以跨越真空而传播。虽然理论上可以预测该效应，但是由于它十分微弱，所以观测是很困难的。加州大学伯克利分校的Zhang lab在巧妙设计的实验装置的帮助下，首次观测到了声音在真空中传播的现象，也即本文开头处所提到的研究成果。这再次证明了量子场论的主要观点：“真空不空”和“万物皆场”。
为什么霍金说黑洞会发出辐射？
壁虎又为什么能够挂在墙上？这都跟我们今天讲的量子场论和卡西米尔效应有关。霍金利用真空不空的原理预言了黑洞辐射的存在。他的主要观点为：黑洞是一种光速都无法逃离其引力的天体。我们考虑黑洞边缘的空间，由于场的涨落，有可能产生一对正反物质小球。由于量子力学的测不准原理，这对小球的速度有可能超过光速。此时若反物质小球落入黑洞，那么正物质小球就有可能挣脱黑洞的束缚而飞出。
落入黑洞的反物质小球和黑洞内其它的正物质小球重新结合而使得黑洞的质量减少。那么总的结果就是：黑洞质量减少，同时放出了一个正物质小球。这就是黑洞辐射的原理。该理论打破了人们印象中黑洞“只进不出”的形象，具有划时代的意义，也是霍金的史诗级成果之一。
壁虎的脚上有数万根刚毛，每一根都极其细小，小到每根刚毛和墙壁间的距离都只有纳米级。前面我们提到过，如果两个板的间距很小，那么卡西米尔效应可以施加非常可观的压力将两个板压在一起。所以，壁虎脚上的数万组卡西米尔效应将它挂在墙上。壁虎虽然不懂量子场论，但伟大的自然界却是无所不知的。在美丽而又精妙的自然界面前，无人敢称全知，无人敢称伟大。