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真空裏面真的「什麽都沒有」嗎?真空世界遠比現實世界更熱鬧!

2024-10-07科學

在宇宙的浩瀚中,物質與能量的分布之廣,令人驚嘆。放眼星際之間,似乎空無一物,然而在每立方米的空間內,氫分子數量堪比繁星。除此之外,還有無數的粒子世界,以及穿梭其中的電磁輻射。它們構成了星際旅行的介質,穿越行星、星系,甚至黑洞的邊界。更有甚者,那些自宇宙誕生之初便遺留下來的輻射,仍在宇宙的舞台上翩翩起舞。

似乎,自然界對真空的厭惡,是一種本能。它總是在試圖填補每一個空隙,讓真空不復存在。那麽,真正的虛空,究竟有沒有它的立足之地?

關於真空的存在,遠非哲學上的思辨。在實際套用中,真空技術的重要性不言而喻。以家庭用具為例,真空吸塵器便是利用風扇創造出的低壓環境,吸入周圍的物質,以達到清潔的效果。

然而,這種清潔方式與真正的真空相去甚遠。在實際操作中,吸塵器周圍的灰塵依舊明顯。為了在工業生產中實作更為精密的效果,比如食品的真空保鮮包裝,或是早年燈泡內的真空制造,制造商們依賴的是更為徹底的密封技術。

這些技術與真空吸塵器的工作原理大同小異,都是利用強大泵的吸力,驅散原子級的物質。盡管如此,最先進的技術也只能在每立方厘米的空間內留下數百萬個原子,這與科學家們所追求的真空條件,依舊有天壤之別。

那麽,對於像大型強子對撞機這樣的精密器材,科學家們是如何創造出幾乎完美的真空環境呢?

對撞機的管道由不銹鋼等材料構成,本身不會釋放分子。在其內壁塗有特殊物質,以吸附散逸的氣體。經過200攝氏度的高溫處理,水分被徹底蒸發。在對撞機的實驗中,為了確保環境的純凈,多種真空泵會連續工作兩周,以抽離管道內的氣體和殘余物。

即便如此,對撞機內的環境也非絕對真空。在最純凈的區域,每立方厘米仍有約十萬個粒子存在。然而,即便原子級別的物質被徹底清除,我們周圍仍舊充斥著大量輻射,這些輻射能輕而易舉地穿透墻壁。

每一秒,都有成千上萬的微中子、宇宙微波背景發出的光子,以及太陽發出的微中子穿越我們的身體。我們可以用物質遮蔽真空室,用水吸收和反射輻射,但對於微中子,這些措施都無濟於事。

那麽,如果假設我們已經排除了所有原子,阻擋了所有輻射,是否意味著我們創造了一個完全真空的空間呢?

實際上,並非如此。空間中充滿了量子場,我們所知的那些亞原子粒子,如電子、光子等,實際上都是在這個量子場中產生並擴散至整個宇宙。

基於海森堡原理,這些量子場永遠處於波動狀態,即使沒有粒子激發漣漪,也會存在最小振幅的波動,即「真空起伏」或「量子起伏」。

在這些起伏中,量子會短暫地「借用」真空中的能量,隨即消失,將能量歸還給真空。這種現象意味著,真空本身蘊含著巨大的能量。

根據愛因斯坦的方程式式,我們知道質素與能量是守恒的。因此,空間中每立方米的量子起伏所蘊含的能量,約等於四個質子的質素。換言之,在我們看似空空如也的真空中,其實也蘊含著細微的物質成分。

這些量子起伏自宇宙誕生之初便已存在,隨著宇宙的膨脹,它們也被拉伸,最終形成了我們今天所見的宇宙。宇宙學家認為,這些原始的量子起伏,是構成所有物質的根源,包括星系、宇宙的結構,乃至星球和太陽系。

同時,它們也是現代物理學面臨的一個巨大挑戰。按照現有理論,真空中的量子起伏所蘊含的能量,應遠超過我們觀測到的數值。探索那些消失的能量之謎,或許會徹底改變我們對於物理和宇宙的理解。