太空的真空是真的空吗？

2024-06-28 09:26 由天文在线发表于 #社会

在太空中遨游，我们孤单吗？

宇宙深处，真是一片“虚无”吗？

图源：盖帝图像作者Aaron Horowitz

想象一下，假设你来到宇宙中最深、最空旷的地方，这里是一个完全真空的世界。你会被虚无所包围吗？这个问题的答案可能比你认为的要微妙得多。

17世纪，为展示城市在三十年战争的蹂躏后已经复苏，神圣罗马帝国马德堡市长奥托·冯·格里克向皇帝和其他名流做了一场演示活动。通过将两个半球放在一起并抽出其中的空气，奥托证明了即使是一组马也无法将这两个半球拉开，即马德堡半球实验。由此，现代科学家对真空的探索拉开帷幕。

亚里士多德提出的“自然界厌恶真空”思想在欧洲被追随了千年，与之相反，冯·格里克却证明了真空环境是可能存在的。

在马德堡半球实验之后的几十年里，哲学家和科学家们想知道广阔的太空中是否充满了某种被称为以太的物质。研究这种物质有两个目的：一是它可以防止真空的形成；二是它可以作为光传播的媒介。

然而，在19世纪后期，克利夫兰的两位物理学家，阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷，设计了一个精妙的实验来测量地球在以太中移动时光速的变化。结果是，没有发现任何变化——不久后，爱因斯坦证明了光速总是恒定的——所以科学家们最终放弃了以太的概念，允许真空存在的可能性。

即使远离地球，仍有大量物质漂浮在太空中，如带电粒子、氢原子、绒毛和灰尘。尽管星际空间的密度比最高级的人造真空室低数十亿倍，但它仍不是100%真空的。

要到达宇宙中最空旷的地方，你必须前往宇宙虚空，即宇宙中巨大的虚无区域。在最大的空洞深处，离你最近的星系也有数亿光年远。空洞的核心是如此空虚，甚至连暗物质——构成每个星系主体的神秘的、看不见的物质形式——都不存在。

但是，太空并不是真的空无一物。遍布整个宇宙的是被称为中微子的轻量中性粒子，以及宇宙早期遗留下来的辐射。这种辐射被称为宇宙微波背景辐射(CMB)，占宇宙中所有辐射的99.99%以上，且无法逃脱。所以，即使在最黑暗的空间里，你也不会完全孤单。

上图所示的宇宙微波背景辐射(CMB)，是早期宇宙遗留下来的残余物。（图源：ESA and the Planck Collaboration）

假设有一个巨大的房间，墙壁厚度足以阻挡所有中微子和宇宙微波背景辐射，但只留下你一个人在房间内。（墙壁发射出的光子忽略不计）那时，你会孤单吗？

量子物理学给出了一个令人惊讶的答案：不会。物理学家发现，量子场浸透了所有的空间和时间，并产生了粒子。但是，当它们独自存在时，量子场有一种固有的能量，被称为真空能量。这种能量在宇宙中无所不在。即使你周围没有任何粒子，你仍与这股能量作伴。

那么，如果你发明一种装置来抵消真空能量呢？（技术上尚不可行）你最终会在宇宙中真正地被孤立，被完美的真空所包围吗?

答案是，看情况而定。你仍然是空间中的一个物体，有些人认为空间本身就是实体。我们喜欢把空间想象成一个抽象的数学概念，一种用来测量位置和范围的方法。17世纪，天才雷诺·笛卡尔发明了描述空间的数学基础，空间的概念开始呈现出更具体的特征。如果你曾经写过笛卡尔坐标的x轴和y轴，记得要感谢他哦~

艾萨克·牛顿提升了空间的概念，将其作为物体运动和支配其行为的物理定律的绝对背景。简而言之，这就是现代物理学：物体在假定存在的空间背景下移动并相互作用。

爱因斯坦在广义相对论中，进一步将空间从背景舞台提升为主角——一个动态的、灵活的实体，对物质的存在做出反应，并指导物质的运动。正是空间本身，尤其是它的动力学，才推导出引力。

那么，空间只是一种数学意义上的抽象概念，是我们用来描述物理对象之间关系的工具，还是拥有其他含义？这里有一个有趣的想法：引力波的移动不需要物质或能量的存在，它们只是以时空本身的波动形式存在。所以，如果空间只是一个数学工具，那么这些波怎么可能独立存在呢？

对于真正的虚无是否存在这个问题，目前还没有确切的答案。空间的概念可能只是一个数学把戏，它本身并不存在。可能无论你走到哪里，你总是在空间的某个地方，因此永不孤独。