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真空里面“生机勃勃”,里面暗藏的东西让科学家们感到震惊!

 郑公书馆298 2016-05-30

粒子物理学家海森堡的测不准原理表明物质可以在极短的时间内冒出来,而另外一个物理学家狄拉克提供了这种机制,使得物质可以从真空创造出来,又同样地快速消失。再看一眼一个真空的盒子,每当一个粒子从全空空间里冒出来,它的反粒子也会同时冒出,虽然这听起来十分荒谬,但这绝对是真实的。所以当我们尝试从全空空间移走了所有物体之后,里面仍就始终都充溢着这样的涨落的虚无中,里面像是有一种嘶嘶声,一种充满活力的舞蹈,因为粒子,反粒子从真空支取短暂片刻的能量然后湮灭,并把能量又归还给真空。

真空里面“生机勃勃”,里面暗藏的东西让科学家们感到震惊!

物理学家狄拉克的电子理论和反物质的想法为我们提供了一幅全新的真实画面,之前你可以认为真空室全空的空间,因为相对论已经表明,光不需要以太就能传播,所以关于真空的画面就是全空。但是当我们把相对论和量子理论整合在一起,那么肯定就有这种概念,电子反电子就会在成对在真空中出现,所以可以认为这些粒子对在真空的各处冒出来。

由此可见真空就不再是一无所有了,而绝对是一个充满物质反物质,创造活动的地方。狄拉克关于全空空间的思想进一步完善和发展成为我们今天已知的量子场论,而这些奇怪的在虚空中稍纵即逝的东西就成为我们所称谓的虚粒子。如此看来,虚无其实是大量沸腾的虚粒子出现和消失万亿次,只在眨眼之间。

这多亏了一位美国科学家威利斯-兰姆的杰出实验,让我们能够亲眼看到虚粒子的效应,因为我们有办法决定性地证明在明显的虚无中存在着剧烈的活动。为了一睹它,我们必须深入到单个原子内部一探究竟。

儿兰姆令人惊讶的找到了一个巧妙地办法来做到这一点,那么兰姆做了什么呢?他的实验依赖于原子的量子规则。在原子内部,电子在它们绕核运行时有非常独特的,离散的能量,他的实验表明,如果真空真的充满这些隐藏的涨落,那么这些涨落会导致电子轨道不断地轻微抖动。

来打个比方,电子就好像是一架飞机正在飞行遭遇了湍流,迫使它升到一个稍高的高度。实验室这样进行的,真空室中容纳了极少量的原子,兰姆原来的实验使用的是微波,而最近的装置中,兰姆所在的帝国学院团队使用了激光来探测电子。

但是实验仪器必须有足够的灵敏度,以采集某种物质行为的微小变化,而这种行为本身也是极其微小的。试想一下,我们要把测量电子的摆动放大到一个苹果的大小,这将意味着真空室必须放大到一万亿英里,那将达到整个太阳系100被大小的东西。光只是从顶部传播到底部就要40天左右的时间。

真空里面“生机勃勃”,里面暗藏的东西让科学家们感到震惊!

真空室里究竟发生着什么?当启动激光器后,监视器将向我们显示的就是在最微小的尺度上,真空室里到底发生了什么,看下实验中的峰值情况。

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这一切看起来可能不那么激动人心,但它正告诉我们真正不寻常的东西,这就是对电子被真空本身所晃动的幅度的测量。如果真空是真正的全空,这个峰值就不会存在,我们就只会得到一条平直线。这就告诉我们,无论我们怎样努力尽我们所能地从空间移除一切,我们永远不能使它真正全空,无论宇宙何处,空间都充满了这种真空,它有着神秘的潜在能量!!

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