科學也可以如此靠近

深層解讀真空的本質,裡面蘊藏的奧秘將徹底顛覆我們的宇宙觀!

12月
01
2017

2017年12月01日23時 今日科學 宇宙探索

宇宙探索

宇宙充滿了物質和能量,在宇宙間放眼望去的一片廣袤和虛無空間裡,每一立方米就含有一個氫分子,更不用說其他密密麻麻的粒子,還有電磁輻射了。它們沿著每一條既定軌道,穿過星球,星系,黑洞。甚至還有大爆炸時期遺留下的輻射!

自然界似乎很討厭真空的存在,也想盡一切辦法阻止真空的形成。所以問題來了,真正的虛空到底存不存在?

這並不只是一種思想實驗,虛無空間也就是真空,用處特別大。在我們家裡大多真空吸塵器的運作原理,就是用風扇創造出一個相對「真空」的低壓區,然後吸入物質以填補那塊「真空」。

但是那距離真空還差得遠,因為四周還有許多灰塵,商品製造商依賴更徹底更密封的真空技術來達到生產各類產品的目的,包括能持久保鮮的真空包裝食品的技術,還有以前在燈泡里製造真空,以防燈絲老化的技術。

這些真空的製作技術和真空吸塵器的遠離如出一轍,都是利用大功率的泵產生足夠吸力,來儘可能多地驅除游離的物質原子。然而即便是最完善的工業流程,也會在每一立方厘米空間中滯留數百萬物質原子,對於實驗中科學家所需製造的真空,不算是真的「真空」。

像大型強子對撞機加速器這類裝置,粒子束以近乎光速在裝置中傳播,可以不與任何原子相撞,飛行長達十個小時,那麼科學家又是如何製造這樣的真空的呢?

對撞機的管道是由不鏽鋼這樣的材料組成,本身不釋放任何分子,並且在內襯覆蓋著特殊的塗層來吸收游離氣體。將溫度升高到200攝氏度蒸發完水分,在對撞機高度敏感的實驗中,許多真空泵會用兩周時間將管道中大量氣體和殘留物抽出。

但即便這麼做,對撞機也不算是完美的真空。在最真空的區域,沒立方厘米還殘留著約十萬粒子。但即使假設在對撞機這樣的實驗中,某種程度上可以清楚所有的原子,在我們的周圍依然存在著大量的輻射,這些輻射能視若無物地穿越牆壁。

每一秒都有大爆炸直接殘留下來的1000萬個中微子,宇宙微波背景發出的3000萬個光子,以及太陽發出的300萬億個中微子穿過你我身體。我們可以用物質來屏蔽真空室,可以用水來吸收和反射輻射,但對中微子起不了作用。

在某種程度上,我們可以認為已經清楚了所以原子,阻擋了所有輻射,那麼這樣的空間就是完全的真空了嗎?

事實上遠不是。所有的空間都被物理學家所稱的量子場填充了,我們所認為的那些亞原子粒子,微電子,光子,以及其他類似物體實際上都是在量子場裡產生共鳴,然後擴散到整個宇宙。

也就是因為有一條物理定律叫做海森堡原理,這些領域從未停止波動,即使沒有任何粒子來激起漣漪,其中還是存在著一些最小的變動,被稱為「真空起伏」或「量子起伏」,量子會短暫「借用」真空中的「能量」隨機出現(可以認無中生有)然後瞬間消失把能量還給真空,這意味著它們蘊含著巨大的能量。

因為愛因斯坦方程式告訴我們,質量能量守恆,因此空間裡每一立方米的量子起伏都有著大約與4個質子質量差不多大小的能量。換句話說,在真空中看似空白的空間,其實也有微乎其微的分量。

量子起伏存在於宇宙起始之時。在大爆炸後,隨著宇宙的擴張它們也被放大,然後不斷延伸直至形成宇宙。宇宙學家稱這些原始的量子起伏是今天我們見到的所有物質的起源,包括星系,整個宇宙的規模結構,星球和太陽系。

它們同時也是現代物理學一個大難題,因為根據目前的理論,在真空中的量子起伏蘊含的能量,應該比我們所觀測到的要高120個數量級!揭開其中消失的能量的奧秘也許會完全顛覆我們對物理和宇宙的認知!


延伸閱讀

【技術文章】20A LED 驅動器提供準確度為

Nature解釋花兒為何在春天開放

這裡有條混入魚缸的機器魚,能帶著整個魚群跑路

華人科學家發明黑科技:用黑色素助力黑色素瘤等癌症

隱藏在宇宙深處百億年,科學家:它才是宇宙真正的主


熱門內容

友善連結