太空的真空是真的空嗎？

在太空中遨游，我們孤單嗎？

宇宙深處，真是一片“虛無(wú)”嗎？

圖源：蓋帝圖像 作者Aaron Horowitz

想象一下，假設(shè)你來(lái)到宇宙中最深、最空曠的地方，這里是一個(gè)完全真空的世界。你會(huì)被虛無(wú)所包圍嗎？這個(gè)問(wèn)題的答案可能比你認(rèn)為的要微妙得多。

17世紀(jì)，為展示城市在三十年戰(zhàn)爭(zhēng)的蹂躪后已經(jīng)復(fù)蘇，神圣羅馬帝國(guó)馬德堡市長(zhǎng)奧托·馮·格里克向皇帝和其他名流做了一場(chǎng)演示活動(dòng)。通過(guò)將兩個(gè)半球放在一起并抽出其中的空氣，奧托證明了即使是一組馬也無(wú)法將這兩個(gè)半球拉開，即馬德堡半球?qū)嶒?yàn)。由此，現(xiàn)代科學(xué)家對(duì)真空的探索拉開帷幕。

亞里士多德提出的“自然界厭惡真空”思想在被追隨了千年，與之相反，馮·格里克卻證明了真空環(huán)境是可能存在的。

在馬德堡半球?qū)嶒?yàn)之后的幾十年里，哲學(xué)家和科學(xué)家們想知道廣闊的太空中是否充滿了某種被稱為以太的物質(zhì)。研究這種物質(zhì)有兩個(gè)目的：一是它可以防止真空的形成；二是它可以作為光傳播的媒介。

然而，在19世紀(jì)后期，克利夫蘭的兩位物理學(xué)家，阿爾伯特·邁克爾遜和愛(ài)德華·莫雷，設(shè)計(jì)了一個(gè)精妙的實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量地球在以太中移動(dòng)時(shí)光速的變化。結(jié)果是，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何變化——不久后，愛(ài)因斯坦證明了光速總是恒定的——所以科學(xué)家們最終放棄了以太的概念，允許真空存在的可能性。

即使遠(yuǎn)離地球，仍有大量物質(zhì)漂浮在太空中，如帶電粒子、氫原子、絨毛和灰塵。盡管星際空間的密度比最高級(jí)的人造真空室低數(shù)十億倍，但它仍不是100%真空的。

要到達(dá)宇宙中最空曠的地方，你必須前往宇宙虛空，即宇宙中巨大的虛無(wú)區(qū)域。在最大的空洞深處，離你最近的星系也有數(shù)億光年遠(yuǎn)。空洞的核心是如此空虛，甚至連暗物質(zhì)——構(gòu)成每個(gè)星系主體的神秘的、看不見(jiàn)的物質(zhì)形式——都不存在。

但是，太空并不是真的空無(wú)一物。遍布整個(gè)宇宙的是被稱為中微子的輕量中性粒子，以及宇宙早期遺留下來(lái)的輻射。這種輻射被稱為宇宙微波背景輻射(CMB)，占宇宙中所有輻射的99.99%以上，且無(wú)法逃脫。所以，即使在最黑暗的空間里，你也不會(huì)完全孤單。

上圖所示的宇宙微波背景輻射(CMB)，是早期宇宙遺留下來(lái)的殘余物。（圖源：ESA and the Planck Collaboration）

假設(shè)有一個(gè)巨大的房間，墻壁厚度足以阻擋所有中微子和宇宙微波背景輻射，但只留下你一個(gè)人在房間內(nèi)。（墻壁發(fā)射出的光子忽略不計(jì)）那時(shí)，你會(huì)孤單嗎？

量子物理學(xué)給出了一個(gè)令人驚訝的答案：不會(huì)。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，量子場(chǎng)浸透了所有的空間和時(shí)間，并產(chǎn)生了粒子。但是，當(dāng)它們獨(dú)自存在時(shí)，量子場(chǎng)有一種固有的能量，被稱為真空能量。這種能量在宇宙中無(wú)所不在。即使你周圍沒(méi)有任何粒子，你仍與這股能量作伴。

那么，如果你發(fā)明一種裝置來(lái)抵消真空能量呢？（技術(shù)上尚不可行）你最終會(huì)在宇宙中真正地被孤立，被完美的真空所包圍嗎?

答案是，看情況而定。你仍然是空間中的一個(gè)物體，有些人認(rèn)為空間本身就是實(shí)體。我們喜歡把空間想象成一個(gè)抽象的數(shù)學(xué)概念，一種用來(lái)測(cè)量位置和范圍的方法。17世紀(jì)，天才雷諾·笛卡爾發(fā)明了描述空間的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，空間的概念開始呈現(xiàn)出更具體的特征。如果你曾經(jīng)寫過(guò)笛卡爾坐標(biāo)的x軸和y軸，記得要感謝他哦~

艾薩克·牛頓提升了空間的概念，將其作為物體運(yùn)動(dòng)和支配其行為的物理定律的絕對(duì)背景。簡(jiǎn)而言之，這就是現(xiàn)代物理學(xué)：物體在假定存在的空間背景下移動(dòng)并相互作用。

愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論中，進(jìn)一步將空間從背景舞臺(tái)提升為主角——一個(gè)動(dòng)態(tài)的、靈活的實(shí)體，對(duì)物質(zhì)的存在做出反應(yīng)，并指導(dǎo)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。正是空間本身，尤其是它的動(dòng)力學(xué)，才推導(dǎo)出引力。

那么，空間只是一種數(shù)學(xué)意義上的抽象概念，是我們用來(lái)描述物理對(duì)象之間關(guān)系的工具，還是擁有其他含義？這里有一個(gè)有趣的想法：引力波的移動(dòng)不需要物質(zhì)或能量的存在，它們只是以時(shí)空本身的波動(dòng)形式存在。所以，如果空間只是一個(gè)數(shù)學(xué)工具，那么這些波怎么可能獨(dú)立存在呢？

對(duì)于真正的虛無(wú)是否存在這個(gè)問(wèn)題，目前還沒(méi)有確切的答案?？臻g的概念可能只是一個(gè)數(shù)學(xué)把戲，它本身并不存在?？赡軣o(wú)論你走到哪里，你總是在空間的某個(gè)地方，因此永不孤獨(dú)。

BY:Paul Sutter

FY: 忙碌的北門

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