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真空真的空無一物嗎?裏面蘊藏著深刻的宇宙奧秘!

2024-10-02科學

宇宙中充滿了各種物質和能量,人們能看到的物質有很多,但還存在著更多我們看不到的物質,比如說看似空無一物的太空裏,其實每立方米都含有一個氫分子,還有其他微觀粒子,比如說微中子等,同時無處不在的電磁輻射時刻都在你我身邊。

想要找到真空環境,真的很難,大自然好像非常厭惡真空,總是想方設法阻止真空的出現。那麽,真正的真空真的存在嗎?

在很多人的固有思想裏,真空就是「把空氣全部抽離後的狀態」,比如說,真空吸塵器就是利用真空的運作原理,用風扇創造出一個「真空」區域,然後不斷吸入物質填補「真空」區域。還有商家制造出來的各種真空食品,能保鮮時間更長。

但是,那樣的真空狀態距離真正的真空相差甚遠。利用人類科技制造出來的相對最完美的「真空」環境,每立方厘米也會有上百萬個原子存在,這樣的真空顯然根本談不上真正的真空。

即便是大型粒子對撞機這樣的精密裝置,與真正的真空環境也相差很大。對撞機裏面的微觀粒子通常會盡可能接近光速飛行,所以要求裏面的環境必須盡可能接近真空,但事實上對撞機裏面的環境也談不上真正的真空。

因為無論如何,都很難阻擋宇宙輻射的幹擾,大量的輻射能輕易穿透厚厚的墻壁,同時宇宙大爆炸殘留了無數個微中子。在每一秒的時間裏,都會有超過萬億個微中子穿過你我的身體,也就是說微中子無處不在,但對我們幾乎沒有任何影響,我們也感知不到微中子的存在。

不過,要想清除微中子,是很困難的。科學家可以用各種物質遮蔽真空室,利用水等物質吸收並反射各種輻射,但唯獨對微中子束手無策。

那麽,假設我們能夠遮蔽所有微觀粒子,各種輻射,還有無處不在的微中子,制造出來的空間就是絕對的「真空」了嗎?

仍舊不是。科學家們發現,空間中到處充滿了各種量子場,這些量子場通常都會處於基態,也就是最穩定的狀態,而一旦受到擾動,量子場就會從基態變為激發態,而所有的基本粒子,包括電子,微中子,光子等其實都是量子場從基態變為激發態的過程中形成的。

這些量子場就是空間的基本內容,它們充斥著空間的每個角落,無處不在,而且從一開始就存在著。甚至被很多科學家認為,宇宙誕生之前的狀態就是「量子場」狀態,當時的宇宙空間除了基本的量子場,沒有任何其他東西,看起來完全就是「混沌」的狀態。

而由於量子世界裏存在不確定性,意味著即便沒有任何外力的作用,處於基態的量子場也會發生一些微小的擾動,從而從基態變為激發態,這個過程其實就是量子起伏,或者量子漲落。

量子漲落,其實就是量子場的狀態變化,從基態轉變為了激發態,成為激發態的量子場就會形成各種基本粒子。這就像風平浪靜的海面,這時的海面位於「基態」,如果海面因為擾動而變得活躍起來,濺起浪花,就相當於處於「激發態」,那些浪花就相當於基本粒子。

各種量子會透過賒借真空的能量這種方式衍生出來,然後瞬間湮滅消失把能量歸還給真空。這說明真空中蘊藏著巨大的能量。

量子場本身是沒有能量的,但由於不確定性的存在,處於基態的量子場肯定會因為擾動成為激發態,也可以通俗理解為波動,而波是具有能量的,而各種基本粒子其實就是量子場的波動,也就是能量包或者說「波包」,說白了,基本粒子本質來講就是波。

那麽,真空的能量到底有多大呢?

根據愛因斯坦的質能方程式來計算,空間中每一立方米的量子起伏所具有的能量,大約與4個質子所具備的能量相當。