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知识就是力量，欢迎回到2049. 真空，意思就是真的很空，按字面来理解，真空就是指不存在任何物质的空间。那么如果从空间中清除掉所有的物质从而获得真空后，我们是不是就一定可以确认这个空间是完全空的呢？恐怕未必。 我们来想象这样一个场景，一个装着黄博士的冰箱，先把黄博士从冰箱中拿出来，此时冰箱里面的空间显然还不是真空，因为里面有着大量的空气。而如果用一个不知道高到哪里去的真空泵将冰箱中的空气也全部去除的话，此时，冰箱内部的空间中将没有任何物质存在，成为了真正意义上的真空。但其实这个真空也不全然空，冰箱中依然有着电磁波的存在，这是因为，冰箱壁一直在向外辐射着红外线等电磁波，也就是所谓的“热辐射”。宇宙空间也是类似的情形，虽然在宇宙空间中，每立方米只有1个氢原子，而其余绝大部分都是空荡荡的真空，但其实，这也并非完全是空的，因为来自星体等的光，还自由穿梭于宇宙真空之中。 那么如果我们下手更狠一些，把整个冰箱的温度降低到绝对零度，此时，热辐射消失，那么这个真空，是不是就真的什么都没有了呢？现代物理学认为，事实也并非如此，那么究竟还有什么存在于真空之中呢？欢迎收看大型娱乐节目回到2049第三季第49集《真空不空：喧闹的真空世界》。 也许你认为真空离我们十分遥远，除了外太空与地球上的某些实验室之外，我们几乎不会接触到真空环境。但其实，真空就在我们的身边。比如说，空气是由在空中飞来飞去的无数氮分子、氧分子等组成的，但分子与分子之间的空间，其实什么也没有。当然了你可以抬杠说还有PM2.5，但是不论是分子，还是小粒子，它们之间总会有间隔，而这个间隔就是真空。现在我们进一步把视力放大，放大到原子的级别，对于这个小球球来说，真空依然是它的主体。比如说有这样一个故事，说的是一个闲的蛋疼的教授和他的一群脑残学生，教授往杯子里放满了石头，问学生说满了吗？学生说满了。教授又往里面填满了沙子，又问学生满了吗？学生说这下满了。于是教授又向杯子中灌满了水，然后又问满了吗？此时，黄博士站起来说，早着呢，教授你图样，还有一大部分真空。然后黄博士被赶出了教室。那么黄博士错了吗？当然没有，我们就以组成水分子的氢原子为例，原子的直径约为1000万分之一毫米，中间是原子核，外面围绕着电子。但是，这个原子核的直径仅为原子的10万分之一，另一方面，虽然我们现在还不能具体地知道电子有多大，但与原子核相比，电子的大小几乎可以忽略不计。所以这样考虑的话，从某种意义上说，原子的大部分是真空，水的大部分也是真空，而我们的人体以及身边的所有物质都是由原子构成的，所以我们或许也可以说，我们的身体及身边的所有物质，其实也几乎是真空。可怜的黄博士就这样成为了真理的殉道者。 了解完真空无处不在之后，我们就要来真正看一看真空中究竟有什么了。 我们知道，在通常情况下，物体不接触就不会产生力的作用，比如说黄博士就不能像我一样仅靠意念就把妹子推到，必须得施加强力才可以，这样的力我们称之为“接触力”。但是，还有一些即便不接触也能传递的力存在于宇宙中，这样的力就是所谓的“非接触力”。比如说磁力就是典型的代表，磁力在不存在任何物质的真空中也能传播。比如说，宇航员在非常接近真空的宇宙空间中，也可以用指南针来观测地球的磁力。同磁力相似的还有静电力，漂浮在宇宙空间中的宇航员，就会与飞船之间产生静电，这种静电是国际空间站和人造卫星的大敌，因为它会导致航天器的精密仪器失灵。所以宇航员在出舱活动时，之所以要用绳索将自己与空间站绑在一起，这一方面固然是怕自己飘走了，另一方面也是为了防止身上带上静电。 像上面这两种情形，真空中没有物质，但存在着能传递非接触力的“某种非物质的东西”，我们就将其称为“场”。传递磁力的场被称为磁场，传递静电力的场就被称为电场。由于两者密切相关，所以统称为电磁场。电磁场是空间本身的一种性质，与物质不同，用任何泵都无法清除掉，所以在空无一物的真空中也能存在。由于光或者说电磁波是一种由电场与磁场的振动而传递的波，所以电磁波在真空状态中也可以传播。关于电磁波与磁场的话题，各位老板们可以参考我们往期的节目，一是《物有所指》，二是《阿光正传》，在喜马拉雅和B站都可以找得到，那时候的我比现在更年轻，看着绝对是一种享受，今天我们就不废话了。 从这个角度看，其实我们的宇宙真空是满满当当的，这其中不仅充满了星体发出的光，而且还存在着宇宙诞生之初所发出的光。138亿年前，宇宙的温度极高，就像一个炙热的火球，这一时期的宇宙被称为“大爆炸宇宙”，当时，整个宇宙中也曾光芒四射，而且直到今天，其光线还充满了宇宙空间。现在，宇宙依然在不断膨胀，所以其波长也被不断拉长，从而变成了微波，这便是所谓的“宇宙微波背景辐射”。研究表明，每立方厘米的宇宙空间中，大约有410个宇宙微波背景辐射的光子。所以说，在看上去空无一物的真空的宇宙空间中，到处都充满了光。 宇宙微波背景辐射 那么如果我们用不知道高到哪里去的办法，把宇宙空间中所有的物质与光全部去除的话，我们是不是就可以创建一个完全意义上的一无所有的空间呢？接下来才是我们今天的重点内容。 我们知道，光在真空中的传播速度大约为每秒30万千米，这是自然界中的最大速度，任何物质的运动速度都无法超越光速。这个事实我们所有人都知道，那么为什么光以外的物质就不能以光速运动呢？目前的理论认为，整个宇宙空间中充满了某种东西，这种东西使得光以外的物质的运动速度变慢了，唯有光不受其影响，那么这个东西是什么呢？科学家称其为“希格斯场”。 希格斯场无所不在，不仅存在于你眼前的空间，就连原子中原子核与电子之间也充满了希格斯场。研究认为，正是由于希格斯场的存在，使得电子与希格斯场相互作用，从而使其无法以光速前进。如果没有希格斯场的话，那么原子中的电子就会以光速直线飞离，同时，质子将转变为中子，原子核也将破碎，如此一来，原子也就无法保持其形状从而崩溃了。而世间万物都是由原子构成的，所以正是得益于希格斯场，才有了我们以及今天的世界。 可见，希格斯场赋予了不同粒子不同强度的“阻力”，粒子受到的阻力越强，就越不容易移动，而粒子移动的难以程度，其实正是质量的本质，所以正是希格斯场赋予了粒子以质量。由于电子受到的阻力相对较弱，所以便于移动，也就是说，电子是质量较小的基本粒子。而传递弱核力的W玻色子受到的阻力就比较强了，所以它很难移动，也就是说，W玻色子的质量很大，目前的理论认为，W玻色子的质量大约是电子的16万倍。 希格斯场 不过，在宇宙诞生之初，情况并非如此。研究认为，在宇宙诞生之初，其体积极小、温度极高，在这样的环境中，希格斯场根本无法像现在这样发挥作用，基本粒子也没有受到来自希格斯场的阻力，所以所有的基本粒子都是以自然界的最大速度光速运动的，此时，原子是不可能存在的。 后来，宇宙不断膨胀并开始变冷，从而导致希格斯场的状态发生了急剧变化，这样一来，几乎所有的粒子都开始与希格斯场相互作用，开始变得难以运动了，于是，电子等基本粒子便“诞生”了质量。之后，中子与质子也诞生了质量，不过这里面需要注意的是，中子与质子质量的98%并非是由于其与希格斯场的相互作用而获得的，目前的理论认为，强相互作用力将组成质子与中子的夸克连接在了一起，根据爱因斯坦能量与质量可以相互转化的理论，正是强力巨大的能量赋予了质子与中子以质量。 在宇宙诞生37万年后，宇宙进一步冷却，减速的电子与质子之间产生了电吸引力，从而形成了氢原子。现在我们溯本求源，可以说，正是因为希格斯场的状态发生了变化，宇宙中才诞生了原子，于是也才有了后来的故事。 而在诞生之初的宇宙中希格斯场所发生的变化，这被称为“相变”，所谓的相变，就是指物质因环境而改变状态的现象。至于强力为何可以在夸克间发生作用从而赋予中子与质子以质量，目前也认为源自某种相变，不过这种相变是不同于希格斯场相变的。那么希格斯场的相变与导致中子与质子获得质量的相变是如何产生的，我估计我说了你也不懂，再说我也不会，所以就此略过。 希格斯场虽然与磁场、电场都叫场，但它们还是拥有着很大的不同，最明显的一点就是，电场与磁场是既具有大小也具有方向，但希格斯场却只有大小没有方向，也就是说，希格斯场是一种“标量场”，而且，希格斯场在宇宙各处的值都是相同的，所以无论是在地球上，还是在距离我们十分遥远的星系中，电子所受到的来自希格斯场的阻力都完全相同，也就是说，电子的质量在宇宙的任何地方都相同。对于其他基本粒子来说，情况也是一样的。 可以想见的是，希格斯场作为一种理论，虽然可以很好地解释基本粒子质量的来源，但它还是过于虚无缥缈了，那么我们可以证实它的存在吗？我们知道，原子中的电子振动时，电磁场也会振动，并发射出光子。那么处于希格斯场中的粒子振动时，是不是也会带动希格斯场的振动并发射出某种未知的粒子呢？或许我们可以循着这一思路，找出希格斯场的踪迹。为此，粒子物理学家将希望寄托在了欧洲大型强子对撞机之上，他们在真空的环形管内，把质子加速到接近光速，并使其在探测器中相互碰撞。此时，无比巨大的能量集中于一点，从而振动希格斯场，结果令人喜大普奔，物理学家轰击出了由希格斯场所产生的希格斯玻色子，从而证实了希格斯场的存在。鉴于此，由于从理论上预言了希格斯场的存在，英国物理学家彼得-希格斯与比利时物理学家弗朗索瓦-恩格勒分享了2013年的诺贝尔物理学奖。 希格斯玻色子的产生 希格斯 恩格勒 可见，即便是排除了电磁场与电磁波，真空中依然存在着看不见摸不着的希格斯场，这是空间固有的一种性质，只要空间还存在，希格斯场就存在。不过，我们不妨再开开脑洞，如果有一天，我们有能力把希格斯场也移除的话，真空是不是这下就“真空”了呢？恐怕，你的愿望还是难以达成。 因为在量子论中，真空是一种完全不同于我们常规认知的存在。量子场论是研究基本粒子等微观世界基本规律的物理学，它认为，微观世界是由“量子场的涨落”所支配的。传统理论认为，如果真空是一个不存在任何物质的空间，那么真空中的基本粒子的数量应该为0。但量子场论认为，在微观世界中，甚至连基本粒子的数量也在不断地涨落，根本无法保持为0的状态。量子场论认为，真实情况是，在微观世界中，基本粒子在不断生成与消失，其数量是在时刻变化着的。 也许你会认为，既然粒子在不断地生成与消失，那么在某一个极其短暂的瞬间中，肯定会存在有物质，所以此时这个空间就不是我们通常意义上的真空。但事实上，这些粒子与我们熟悉的普通粒子完全不同，它们根本无法作为粒子而直接被我们观测到，所以无论我们怎样去观测怎样去实验，看到的也只能是真空。而为了把这种粒子与能够观测到的普通的“实粒子”区分开，物理学家就将其称为“虚粒子”，也叫“假想粒子”。 不过，虽说基本粒子的数量在涨落，但基本粒子并非没有任何限制地从真空喷涌而出，正所谓无规矩不成方圆，它们还是要遵守一些基本法的。比如说，根据海森堡不确定性原理，科学家推断出质量越大的粒子，消失得就越快。同时，粒子的涨落也必需遵守电荷守恒定律，比如说，电子带一个负电荷，那么只要真空中生成了一个电子，就会打破空间内的电平衡。所以，生成电子时，就必定会成对产生一个带正电的正电子。而电子消失时，这个正电子也不可能独善其身，二者必定会相撞从而成对消失。对于其他粒子来说也一样，生成一个粒子，也必然产生一个与原有粒子电性相反、其他性质则完全相同的粒子，这就是所谓的“反粒子”。 就这样，粒子与反粒子在极短的时间内不断成对产生并成对消失，使得真空世界一直处于万分喧闹的状态之中。 与上面情形类似的，还有质子与中子中的情况。质子与中子都是由3个夸克所组成，就像电子那样，夸克也是一种点状的基本粒子，我们可以把它们的大小直接看作是0，所以质子与中子内部其实也是空荡荡的，夸克之间的空间也称得上是某种“真空”。不过，无数个假想粒子在这个真空中不断地生成与消失，也与上面情形一样的是，尽管这也是一个挤满了无数个假想粒子的过于密集的空间，但由于无法观测到假想粒子，所以这里依然是一个真空世界。而正是由于这些假想粒子的存在，质子、中子与原子核才得以保持其形状，这种假想粒子被称为“胶子”。量子色动力学认为，夸克不断释放和吸收胶子，胶子不断转变为成对的夸克与反夸克，或者再次变回胶子。而胶子这样的行为便在夸克间产生了四大基本作用力中的“强相互作用力”，并赋予了中子和质子以质量。 那么我们可不可以证实真空中量子场涨落的存在呢？可惜的是，直接观测所谓的虚粒子是做不到的，但既然它们存在，就必定会伴随着能量的产生，所以，如果我们从真空中测得了能量出现，或许就可以间接地证实这些虚粒子的存在。1913年爱因斯坦与核物理学家奥托-斯特恩预言，就算从真空中完全清除掉光，里面依然会残留有被称为“零点振动”的一种特殊的“光”，这种光将赋予真空能量，而这条预言，正是基于量子场论所认为的微小涨落的存在。 从爱因斯坦的预言出发，荷兰物理学家亨德里克-卡西米尔于1948年提出了“卡西米尔效应”，该假想认为，如果在真空中放置两块金属板，在极其靠近的状态下，两者将会仅仅因为非常靠近而产生被称作“卡西米尔力”的引力。不过，由于检测卡西米尔效应的实验过于精密，所以直到预言提出后的第49年也就是1997年，科学家才成功检测到了卡西米尔力。在实验中，当两块金属板接近到仅仅相隔10纳米时，卡西米尔效应达到了1个大气压左右，此时，金属板之间虽然有万有引力的作用，但远远小于卡西米尔力，所以可以忽略不计。 卡西米尔 卡西米尔效应 那么卡西米尔力是怎么来的呢？刚才我们说了，爱因斯坦预言真空中存在一种特殊的“光”，也就是所谓的“零点振动”，对于金属板外侧来说，可以存在各种波长的零点振动。但是金属板内侧就不一样了，在两块金属板之间，只能存在其半波长的整数倍与金属板的间隔恰好一致的零点振动，也就是所谓的“驻波”。所以与外侧相比，金属板内侧可存在的零点振动就非常有限，这就导致金属板内测的能量小于外侧，于是便产生了卡西米尔力。真空能量的存在，由此得到了验证。 那么如果把这种真空能去掉的话，是不是这下就真的真空了呢？怕是还不够彻底。1999年，宇宙观测结果表明，宇宙空间中充满了导致宇宙加速膨胀的能量，由于这一能量的本质尚不清楚，所以我们将其称为“暗能量”。那么暗能量的本质会是我们刚刚说过的真空能吗？遗憾的是，目前的观测并不支持这样的结论，因为理论推测的真空能量与天文观测所推测的暗能量的数值相差120多个数量级，也就是相差10的120多次方倍，这实在不知道差到哪里去了。更为神奇的是，暗能量并不随着宇宙的膨胀而出现丝毫衰减，它的排斥作用是恒定的，这实在是超出了我们的正常认知，即便我们相信真空中存在某种东西，也很难想象究竟是空间中怎样一种存在，可以像暗能量这般匪夷所思。暗能量，这也是现代物理学最大的谜团之一。好了，我实在是编不下去了，关于暗能量的话题，请参考我们的往期节目《鬼魅暗影：宇宙主宰暗能量》。 说实话，今天这个话题很大，按理说，说个两三个小时没有问题，但是由于很多内容在往期节目中都有过专题讨论，所以今天不做赘述，二是关于真空的话题，有很多我实在是不知道怎么编。所以今天长篇就必然要水一天了，不过请放心，熟悉我们套路的人应该知道，下周五必然要不知道高到哪里去了，到年底了，很多东西不能有所保留了。 最后为了凑合时间，再总结一下今天的内容。真空其实一点也不空，它并非是空无一物的空间，而是充满了决定现在宇宙性质的各种场和能量。比如说，科学家通过调查光为什么能在宇宙空间中传播，从而发现了光的传播并不需要任何物质媒介，而是通过能存在于真空的电磁场的振动实现传播。此外，爱因斯坦与斯特恩还提出了零点振动，并认为真空中存在能量。后来，科学家通过实验验证了卡西米尔效应，从而也证实了真空能量的存在。希格斯等人认为，真空中充满了能赋予粒子质量的希格斯场，2013年，科学家成功发现了希格斯粒子，从而证明了希格斯场的存在。另外，研究认为，真空中还充满了使现在宇宙加速膨胀的暗能量，而且早期宇宙的急剧膨胀也是由充满真空的暴胀子场所导致的。 总之，在真空中发现的任何奇妙物质，都为物理学的进步作出了巨大贡献。探明真空的本质，也必将解开现代物理学的各种未知之谜。真空看似空无一物，却决定了我们的过去、现在，甚至是未来。在一无所有中，也许正蕴藏着宇宙的根本动力，或许真的是“无，名万物之始”。你我也一样，纵然看不透这欺世的谜，但仍要相信自己潜藏的能量，它根植于你的存在之中，总有一天，你会找到它，开拓属于自己的天地，因为我们本就一无所有。 |
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