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宇宙中存在完全的真空吗?

时间: 2021年05月10日 | 作者: Abraham Loeb | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
实际上,太空并不空旷,也不黑暗。即使在星系之外,平均每立方米的空间内,一个太空旅行者能发现至少一个质子,一个电子,以及数亿个光子和中微子。


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图片来源:Pixabay


撰文 | 亚伯拉罕·洛布(Abraham Loeb) 

翻译 | 赵剑琳


在天文学家眼中,空旷、黑暗的宇宙深处充满着迷人的景致。诗人赖纳·马里亚·里尔克(Rainer Maria Rilke)在一首诗中也表达了相同的感受。虽然从未亲身前往宇宙,但里尔克在一个世纪前写道:“夜,虽颤栗于我的凝视之中,却亘古不变。这无垠的造物啊!其恒久令地球望尘莫及。”


里尔克的诗能用现代科学阐释吗?实际上,太空并不空旷,也不黑暗。即使在星系之外,平均每立方米的空间内,一个太空旅行者能发现至少一个质子,一个电子,以及数亿个光子和中微子,它们都是大爆炸的遗留物。不过,一些人还会天真地设想这些粒子之间是空的,就像古代希腊的原子论者认为“真空”正如字面意义上一样空无一物。


但事实并非如此。我们现在知道,宇宙的总质量中有大部分(约2/3)属于遍布整个空间的“暗能量”。它会对物质产生一个排斥性的推力,加速宇宙膨胀。最新的测量显示,暗能量的性质很像爱因斯坦在一个世纪前引入引力场方程的宇宙学常数,相当于真空本身的能量。当时,爱因斯坦在考虑如何让宇宙保持静态,因此添加了宇宙学常数,让物质之间的引力与真空的斥力维持平衡。


而现实中我们的宇宙不仅在膨胀,而且这种膨胀极其均匀,不同地方相差不超过十万分之一,即便它们分别位于我们宇宙视界相对的两端,根本没有时间相互联系。目前,对宇宙膨胀的标准解释是,在宇宙诞生初期的一段时间内,真空导致宇宙加速膨胀了一定的时间,这使得宇宙中原本紧密接触、存在联系的区域彼此远离,直至最终分处天空的两端。如果确实如此,真空或许从始至终一直主导着宇宙的膨胀。


若我们想进一步寻找真空,可以假想一个位于我们观测的宇宙范围之外的空间。在那里不存在宇宙学常数,而且没有任何物质,那它是空的么?答案依然是否定的。


根据量子力学,这样的空间依然会存在真空涨落,也就是说虚粒子会短暂地出现和消失。这种短暂涨落的存在已通过实验中的多种效应得到了证实。举例来说,当两片金属板平行放置时,它们会限制夹层空间中虚拟电磁波动的波长,在彼此之间形成一个作用力,也就是卡西米尔效应(Casimir effect)。


类似地,真空涨落与氢原子中电子的相互作用会让电子的2S1/2和2P1/2两个能级的能量不同,导致能级间产生兰姆位移(Lamb shift)。此外,真空中的一个强力电场可以加速从真空中产生的虚电子和虚正电子,因此它们能变成实际存在的粒子。而当电子-正电子对形成时,会导致电场的衰减,这就是施温格效应(Schwinger effect)。同样的,黑洞事件视界处的强引力会从真空中产生热辐射,使得这个纯粹的时空结构产生霍金蒸发。


事实上,真空中生成的热辐射也存在于所有具有因果视界的系统中。举例来说,一个加速运动的观察者具有伦德勒视界,能够探测到惯性运动的观察者无法看到的黑体辐射,这被称为安鲁效应(Unruh effect)。与之类似,一个指数加速膨胀的宇宙的视界会产生一个德西特温度。宇宙加速膨胀时产生的真空涨落,可能埋下了当今星系和星系团结构的种子。倘若确实如此,我们的存在就得归功于宇宙初期真空中的量子涨落,也就是说,真空孕育了生命。


但是,我们还可以探讨一些更加基本的问题。既然原子论者是错的,并不存在完全的“真空”,那么在大爆炸之前有什么?我们的宇宙诞生于真空涨落吗?要解答这个问题,我们需要一个结合了量子力学和引力,而且能够给出可验证预测的量子引力理论,但我们目前还没有这样的理论。


根据施温格效应,真空中一个剧烈的激荡可能会催生一个婴儿宇宙。而这能否发生,取决于各种微妙的细节。我最近也在研究从坍塌到黑洞的时间反演过程,与我合作的是哈佛大学黑洞项目的博士后保罗·凯斯莱(Paul Chesler)。


人造宇宙理论会让我们对目前自己所在宇宙的诞生产生某些有趣的遐想。如果我们的宇宙诞生于其他文明的实验室,那么很容易设想无数个婴儿宇宙会相继诞生,而它们是由那些科技发达到足以创造新宇宙的文明创造的。在这种情况下,我们宇宙的大爆炸不过是发生在实验室里的一个事件。