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深层解读真空的本质,里面蕴藏的奥秘将彻底颠覆我们的宇宙观!

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宇宙时空 2021-05-18 20:46

宇宙充满了物质和能量,在宇宙间放眼望去的一片广袤和虚无空间里,每一立方米就含有一个氢分子,更不用说其他密密麻麻的粒子,还有电磁辐射了。它们沿着每一条既定轨道,穿过星球,星系,黑洞。甚至还有大爆炸时期遗留下的辐射!

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自然界似乎很讨厌真空的存在,也想尽一切办法阻止真空的形成。所以问题来了,真正的虚空到底存不存在?

这并不只是一种思想实验,虚无空间也就是真空,用处特别大。在我们家里大多真空吸尘器的运作原理,就是用风扇创造出一个相对“真空”的低压区,然后吸入物质以填补那块“真空”。

但是那距离真空还差得远,因为四周还有许多灰尘,商品制造商依赖更彻底更密封的真空技术来达到生产各类产品的目的,包括能持久保鲜的真空包装食品的技术,还有以前在灯泡里制造真空,以防灯丝老化的技术。

这些真空的制作技术和真空吸尘器的原理如出一辙,都是利用大功率的泵产生足够吸力,来尽可能多地驱除游离的物质原子。然而即便是最完善的工业流程,也会在每一立方厘米空间中滞留数百万物质原子,对于实验中科学家所需制造的真空,不算是真的“真空”。

像大型强子对撞机加速器这类装置,粒子束以近乎光速在装置中传播,可以不与任何原子相撞,飞行长达十个小时,那么科学家又是如何制造这样的真空的呢?

对撞机的管道是由不锈钢这样的材料组成,本身不释放任何分子,并且在内衬覆盖着特殊的涂层来吸收游离气体。将温度升高到200摄氏度蒸发完水分,在对撞机高度敏感的实验中,许多真空泵会用两周时间将管道中大量气体和残留物抽出。

但即便这么做,对撞机也不算是完美的真空。在最真空的区域,每立方厘米还残留着约十万粒子。但即使假设在对撞机这样的实验中,某种程度上可以清楚所有的原子,在我们的周围依然存在着大量的辐射,这些辐射能视若无物地穿越墙壁。

每一秒都有大爆炸直接残留下来的1000万个中微子,宇宙微波背景发出的3000万个光子,以及太阳发出的300万亿个中微子穿过你我身体。我们可以用物质来屏蔽真空室,可以用水来吸收和反射辐射,但对中微子起不了作用。

在某种程度上,我们可以认为已经清楚了所以原子,阻挡了所有辐射,那么这样的空间就是完全的真空了吗?

事实上远不是。所有的空间都被物理学家所称的量子场填充了,我们所认为的那些亚原子粒子,微电子,光子,以及其他类似物体实际上都是在量子场里产生共鸣,然后扩散到整个宇宙。

也就是因为有一条物理定律叫做海森堡原理,这些领域从未停止波动,即使没有任何粒子来激起涟漪,其中还是存在着一些最小的变动,被称为“真空起伏”或“量子起伏”,量子会短暂“借用”真空中的“能量”随机出现(可以认无中生有)然后瞬间消失把能量还给真空,这意味着它们蕴含着巨大的能量。

因为爱因斯坦方程式告诉我们,质量能量守恒,因此空间里每一立方米的量子起伏都有着大约与4个质子质量差不多大小的能量。换句话说,在真空中看似空白的空间,其实也有微乎其微的分量。

量子起伏存在于宇宙起始之时。在大爆炸后,随着宇宙的扩张它们也被放大,然后不断延伸直至形成宇宙。宇宙学家称这些原始的量子起伏是今天我们见到的所有物质的起源,包括星系,整个宇宙的规模结构,星球和太阳系。

它们同时也是现代物理学一个大难题,因为根据目前的理论,在真空中的量子起伏蕴含的能量,应该比我们所观测到的要高120个数量级!揭开其中消失的能量的奥秘也许会完全颠覆我们对物理和宇宙的认知!

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