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2024-10-08

真空里面真的“什么都没有”吗?真空世界远比现实世界更热闹!

在宇宙的浩瀚中,物质与能量的分布之广,令人惊叹。放眼星际之间,似乎空无一物,然而在每立方米的空间内,氢分子数量堪比繁星。除此之外,还有无数的粒子世界,以及穿梭其中的电磁辐射。它们构成了星际旅行的介质,穿越行星、星系,甚至黑洞的边界。更有甚者,那些自宇宙诞生之初便遗留下来的辐射,仍在宇宙的舞台上翩翩起舞。似乎,自然界对真空的厌恶,是一种本能。它总是在试图填补每一个空隙,让真空不复存在。那么,真正的虚空,究竟有没有它的立足之地?关于真空的存在,远非哲学上的思辨。在实际应用中,真空技术的重要性不言而喻。以家庭用具为例,真空吸尘器便是利用风扇创造出的低压环境,吸入周围的物质,以达到清洁的效果。然而,这种清洁方式与真正的真空相去甚远。在实际操作中,吸尘器周围的灰尘依旧明显。为了在工业生产中实现更为精密的效果,比如食品的真空保鲜包装,或是早年灯泡内的真空制造,制造商们依赖的是更为彻底的密封技术。这些技术与真空吸尘器的工作原理大同小异,都是利用强大泵的吸力,驱散原子级的物质。尽管如此,最先进的技术也只能在每立方厘米的空间内留下数百万个原子,这与科学家们所追求的真空条件,依旧有天壤之别。那么,对于像大型强子对撞机这样的精密设备,科学家们是如何创造出几乎完美的真空环境呢?对撞机的管道由不锈钢等材料构成,本身不会释放分子。在其内壁涂有特殊物质,以吸附散逸的气体。经过200摄氏度的高温处理,水分被彻底蒸发。在对撞机的实验中,为了确保环境的纯净,多种真空泵会连续工作两周,以抽离管道内的气体和残余物。即便如此,对撞机内的环境也非绝对真空。在最纯净的区域,每立方厘米仍有约十万个粒子存在。然而,即便原子级别的物质被彻底清除,我们周围仍旧充斥着大量辐射,这些辐射能轻而易举地穿透墙壁。每一秒,都有成千上万的中微子、宇宙微波背景发出的光子,以及太阳发出的中微子穿越我们的身体。我们可以用物质屏蔽真空室,用水吸收和反射辐射,但对于中微子,这些措施都无济于事。那么,如果假设我们已经排除了所有原子,阻挡了所有辐射,是否意味着我们创造了一个完全真空的空间呢?实际上,并非如此。空间中充满了量子场,我们所知的那些亚原子粒子,如电子、光子等,实际上都是在这个量子场中产生并扩散至整个宇宙。基于海森堡原理,这些量子场永远处于波动状态,即使没有粒子激发涟漪,也会存在最小幅度的波动,即“真空起伏”或“量子起伏”。在这些起伏中,量子会短暂地“借用”真空中的能量,随即消失,将能量归还给真空。这种现象意味着,真空本身蕴含着巨大的能量。根据爱因斯坦的方程式,我们知道质量与能量是守恒的。因此,空间中每立方米的量子起伏所蕴含的能量,约等于四个质子的质量。换言之,在我们看似空空如也的真空中,其实也蕴含着细微的物质成分。这些量子起伏自宇宙诞生之初便已存在,随着宇宙的膨胀,它们也被拉伸,最终形成了我们今天所见的宇宙。宇宙学家认为,这些原始的量子起伏,是构成所有物质的根源,包括星系、宇宙的结构,乃至星球和太阳系。同时,它们也是现代物理学面临的一个巨大挑战。按照现有理论,真空中的量子起伏所蕴含的能量,应远超过我们观测到的数值。探索那些消失的能量之谜,或许会彻底改变我们对于物理和宇宙的理解。