“真空的真空”的存在性問(wèn)題
摘要：許多科學(xué)家包括諾貝爾獎獲得者李政道教授都預言，真空是未來(lái)物理學(xué)的一個(gè)重要研究對象。十七世紀的伽利略時(shí)代人們曾討論過(guò)“真空”是否存在的問(wèn)題?當時(shí)的學(xué)術(shù)界分成兩派，一派以帕斯卡為代表，認為真空存在，另一派以笛卡爾為代表，認為真空不存在，最后實(shí)驗證明“真空存在派”正確�，F代研究表明，真空并非一無(wú)所有，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)新的問(wèn)題“排除了真空物質(zhì)后的空間”，即“真空的真空”是否存在?本文探討了與“真真空”有關(guān)的問(wèn)題，提出了一些觀(guān)測實(shí)驗方法，這些方法可以幫助我們最終解答“真真空”的存在性問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：真空 真真空 物理學(xué) 物質(zhì)空間 宇宙學(xué)
1. 引言
許多科學(xué)家包括諾貝爾獎獲得者李政道教授都預言[1]，真空是未來(lái)物理學(xué)的一個(gè)重要研究對象。在十七世紀的伽利略時(shí)代人類(lèi)還不知道真空是否存在，當時(shí)的學(xué)術(shù)界分成兩派，一派認為真空存在，以帕斯卡為代表，一派認為真空不存在，以笛卡爾為代表，最后通過(guò)一系列實(shí)驗“真空存在派”勝出[2,3,4]。當時(shí)的科學(xué)家認為的真空是一無(wú)所有的空間，但現代研究表明，真空并非一無(wú)所有，其中包含了豐富的物質(zhì)內容，如：宇宙背景輻射、引力場(chǎng)、宇宙射線(xiàn)、暗物質(zhì)、暗能量等等[5,6,7]。那么如果在真空中移除這些真空物質(zhì)后，余下的空間，即“真空的真空”或稱(chēng)“真真空”是否存在?我們面對了十七世紀科學(xué)家面對的同樣問(wèn)題，本文探討了與“真真空”有關(guān)的問(wèn)題，提出了一些觀(guān)測實(shí)驗方法，這些方法可以幫助我們最終解答“真真空”的存在性問(wèn)題[8,9]。
2. “真真空”的定義
可以從兩個(gè)方面給“真真空”下定義，(1)從宇宙膨脹的角度考慮，隨著(zhù)宇宙的膨脹，宇宙空間的平均能量密度變小，如果宇宙無(wú)限膨脹，那么其中的真空場(chǎng)物質(zhì)的密度也會(huì )趨向0，所以可以定義，“真真空”是：有限真空空間無(wú)限膨脹的最后狀態(tài);(2)另一種方法是仿照“真空”概念的定義，首先定義什么是“容器空間”，如果在地球表面設想一個(gè)立方體，其中可以包含氣體、液體或固體等普通物質(zhì)，將這些物質(zhì)從這個(gè)立方體中移去，那么剩下的空間就是這些有質(zhì)物質(zhì)的容器空間，所以“真空”的定義是：有質(zhì)物質(zhì)的容器空間。真空并非一無(wú)所有，其中至少存在各種“場(chǎng)物質(zhì)”，如：宇宙背景輻射、引力場(chǎng)等，所以“真真空”的定義是：真空場(chǎng)物質(zhì)的容器空間。
3. 產(chǎn)生“真真空”的方法
“真空”的存在性最后是通過(guò)實(shí)驗證明的[2]，所以“真真空”的存在性也只能由實(shí)驗判決�？赡墚a(chǎn)生“真真空”的方法有許多，本文列舉四種，下面分別闡述。
(1)真空空間膨脹法：如果能使一個(gè)有限真空空間迅速膨脹至無(wú)限大，那么這樣的空間就是真真空。顯然就可實(shí)現性而言，膨脹至無(wú)限大是不可能的，但如果真空空間迅速膨脹，就可以在一定時(shí)間內得到具有一定 “真真空度”的“真真空”空間。特別是利用一些猛烈的爆炸可能產(chǎn)生短暫的“真真空”空間，如黑洞或超新星爆炸。這和在空氣中炸藥爆炸會(huì )產(chǎn)生短暫的真空空間的原理一樣。
(2)雙黑洞分離法：設想有兩個(gè)黑洞，開(kāi)始它們靠得很近，由于黑洞會(huì )使空間彎曲，兩個(gè)靠近的黑洞會(huì )使它們之間的空間向相反方向彎曲，如果讓兩個(gè)黑洞迅速分離，那么在兩個(gè)黑洞之間的中心區域就會(huì )產(chǎn)生“真真空”。
(3)真空物質(zhì)移除法：歷史上真空空間的獲得就是采用抽真空方法。如果要在“真空”中獲得“真真空”，必須創(chuàng )造一個(gè)屏蔽空間，將所有的真空物質(zhì)都屏蔽在外，這樣得到的空間就是真真空。但到目前為止人類(lèi)還沒(méi)有可以屏蔽引力場(chǎng)的方法。
(4)外宇宙存在證明法：這是一個(gè)間接方法。地球上獲得真空是很困難的，但如果我們走出大氣層，那么宇宙空間到處是真空空間。出于同樣的考慮，如果多宇宙理論成立，那么外宇宙和我們宇宙之間的空間就是“真真空”。所以只要能證明外宇宙存在，那么“真真空”存在就成為自然的事。
4. 笛卡爾-愛(ài)因斯坦公理
對于空間和物質(zhì)的關(guān)系問(wèn)題，歷史上存在兩種截然不同的觀(guān)點(diǎn)(1)原子論觀(guān)點(diǎn)，以德謨克里特、牛頓、玻爾茲曼為代表[6,10]。認為物質(zhì)是不連續的，存在不可分的原子和一無(wú)所有的虛空，分立的物質(zhì)基元原子，在一無(wú)所有的虛空中運動(dòng)，原子之間除了碰撞外，其它作用都是超距作用，因為虛空不可能傳遞任何有限速度的相互作用。這一空間和物質(zhì)關(guān)系模型，在歷史上取得了巨大的成功，奠定了經(jīng)典物理學(xué)的基礎;(2)場(chǎng)論觀(guān)點(diǎn)，以亞里斯多德、笛卡爾、愛(ài)因斯坦為代表[11,12,13,14]。認為不存在不可分的原子，所有的物質(zhì)都是無(wú)限可分的，不存在一無(wú)所有的空間，存在的空間中都存在物質(zhì)，所以空間和物質(zhì)是不可分離的。只存在空間中物質(zhì)的密度的疏密區別，而不存在可脫離物質(zhì)而獨立存在的空間。物質(zhì)之間的相互作用是通過(guò)場(chǎng)來(lái)傳遞的，所有的相互作用都是以有限速度傳播的。這一空間和物質(zhì)關(guān)系模型，奠定了現代物理學(xué)的基礎。
兩種空間和物質(zhì)關(guān)系模型：“原子模型”和“場(chǎng)模型”在一定條件下是可以統一的。在“場(chǎng)模型”中，假設凝聚態(tài)物質(zhì)之間的作用場(chǎng)物質(zhì)無(wú)限稀薄，通過(guò)場(chǎng)物質(zhì)傳遞作用的速度近似為無(wú)窮大，這時(shí)“場(chǎng)模型”就可簡(jiǎn)化為“原子模型”。所以可以認為“原子模型”是“場(chǎng)模型”在一定條件下的近似。
現代物理學(xué)的研究表明，“場(chǎng)模型”更接近真實(shí)，所以麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，相對論都是以“場(chǎng)模型”為基礎[15,16,17]。從場(chǎng)模型可以得到一條公理：
笛卡爾-愛(ài)因斯坦公理：一無(wú)所有的空間不存在，存在的空間中都存在物質(zhì)。
在物理學(xué)中如果將上述公理作為推理的邏輯起點(diǎn)，可以得到許多新的東西。首先，從笛卡爾-愛(ài)因斯坦公理第一個(gè)得到的就是“物質(zhì)空間”的概念，因為空間中總存在物質(zhì)，物質(zhì)又總存在于空間中，所以空間和物質(zhì)是不可分離的，為了表述方便，這樣的空間稱(chēng)為“物質(zhì)空間”�？梢越o“物質(zhì)空間”下一個(gè)明確的定義，首先定義“理想物質(zhì)空間”。
理想物質(zhì)空間：充滿(mǎn)無(wú)限小連續物質(zhì)的空間。
真實(shí)的物質(zhì)空間是：充滿(mǎn)連續物質(zhì)的空間。理想物質(zhì)空間是真實(shí)物質(zhì)空間在一定條件下的近似。真實(shí)的物質(zhì)空間有：“水空間”、“空氣空間”、“真空空間”，任何物體都存在于一定的物質(zhì)空間中，沒(méi)有例外，如：魚(yú)生活在水中，人生活在空氣中，星系運動(dòng)在真空中。
物質(zhì)空間可分層次，真空為空氣的“容器空間”。真空并非一無(wú)所有，抽掉真空物質(zhì)就得到真空的容器空間，即：“真真空”，根據笛卡爾-愛(ài)因斯坦公理，真真空也非一無(wú)所有，所以它一定也存在“容器空間”，以此類(lèi)推，就形成了物質(zhì)空間的層次結構。物質(zhì)空間的層次結構模型，可以用“俄羅斯套娃”形象地比喻。描述物質(zhì)空間層次結構模型的數學(xué)必然是高維的，所以“物質(zhì)空間層次模型”可以作為“高維空間”的物理模型，高維空間是無(wú)法想象的，但物質(zhì)空間是可以想象的。
歷史上以太概念曾一度流行，但物質(zhì)空間和以太是兩個(gè)完全不同的概念，從來(lái)沒(méi)有人把空氣和水看成是以太，物質(zhì)空間強調，空間中總存在物質(zhì)，物體總在一定的物質(zhì)空間中運動(dòng)，沒(méi)有例外。不需要對物質(zhì)空間做任何強加的機械類(lèi)比，所以物質(zhì)空間不是以太。
5. 證明“真真空”存在的觀(guān)測實(shí)驗方法
前面列舉了四種獲得“真真空”的方法，但按現有的技術(shù)條件前三種方法都是無(wú)法實(shí)現的，只有最后一種方法有可能用現有的技術(shù)，通過(guò)觀(guān)測實(shí)驗實(shí)現，也就是通過(guò)觀(guān)測實(shí)驗證明外宇宙存在，具體有兩種可行的方法(1)大爆炸DNA識別法;(2)類(lèi)星體觀(guān)測法。
(1)大爆炸DNA識別法：現在的“標準宇宙模型”認為[6]：宇宙來(lái)源于一次大爆炸，也就是現存的宇宙中的所有物質(zhì)，如：恒星、星系、星系團等，都來(lái)自同一個(gè)母親“宇宙大爆炸”。大家知道來(lái)自同一個(gè)母親的兄弟姐妹，必然有相同的DNA基因。同理來(lái)自于同一個(gè)“宇宙大爆炸”的物質(zhì)系統，同樣一定具有一些共同的特征集，可以通過(guò)這些特征集中的特征識別物質(zhì)系統是否是宇宙大爆炸的產(chǎn)物，所以“物質(zhì)系統的宇宙大爆炸共有特征集”就是“大爆炸DNA”。
例如：大爆炸發(fā)生于137億年之前，所以所有的星系中的恒星的年齡必須小于這個(gè)數值。這一特征就是大爆炸DNA中的特征之一。如果在宇宙的邊緣，發(fā)現一個(gè)星系中的恒星的年齡為400億年，那么可以肯定這顆恒星，甚至擁有它的星系不是大爆炸的產(chǎn)物。又如：大爆炸理論預言了宇宙中的輕元素豐度，如果發(fā)現一個(gè)星系的輕元素豐度嚴重偏離了理論預言，那么可以懷疑它是否來(lái)源于大爆炸。還有我們宇宙的總能量可能與其它宇宙不同，所以本宇宙的一些物理常數和其它宇宙也會(huì )不同，如：引力常數、光速、精細結構常數等，如果可以測量一個(gè)已觀(guān)測到的類(lèi)星體內的這些常數，和本宇宙中的常數比較，如果不同，說(shuō)明這個(gè)類(lèi)星體可能是外宇宙。
(2)類(lèi)星體觀(guān)測法：如果外宇宙存在，并能被望遠鏡觀(guān)測到，那么它在望遠鏡中一定是一個(gè)類(lèi)星體，因為外宇宙離我們很遠，在望遠鏡中的像應該很小，但能量很大，所以會(huì )有許多奇異的能量現象。不過(guò)本宇宙的一些特殊星系核在望遠鏡中也是一個(gè)類(lèi)星體，所以就必須要有能區分是本宇宙星系核還是外宇宙的方法，下面介紹一種可行的方法：
根據宇宙大爆炸理論[6,18]，大爆炸后約50～100萬(wàn)年左右，原子開(kāi)始形成，宇宙中產(chǎn)生了大量的中性原子氣體，光和物質(zhì)的作用開(kāi)始退藕，光可以在宇宙中自由穿行，宇宙開(kāi)始變得透明，宇宙背景輻射就是這時(shí)候產(chǎn)生的，一直保留到現在。在隨后的10億年中，宇宙經(jīng)歷了一個(gè)物質(zhì)凝聚、星系逐漸產(chǎn)生的過(guò)程。這10億年將是觀(guān)測外宇宙是否存在的最佳窗口。因為外宇宙有許多年齡遠遠大于我們的宇宙，如果用望遠鏡能追溯到大爆炸的這一時(shí)期，那么一定存在一個(gè)觀(guān)測距離，在這個(gè)觀(guān)測距離外，星系已不存在但外宇宙仍然存在，假設在這10億年中的某個(gè)時(shí)間它們的光線(xiàn)正好進(jìn)入我們的宇宙，并在本宇宙中傳播，最終到達我們現在的望遠鏡中，就像宇宙背景輻射最終到達我們現在的天線(xiàn)上一樣。所以在本宇宙的邊緣，隨著(zhù)望遠鏡的觀(guān)測距離逐漸變遠，星系逐漸稀少，最終看不到星系和任何大爆炸后產(chǎn)生的天體，但可能會(huì )看見(jiàn)一些不變的類(lèi)星體，因為這些類(lèi)星體是外宇宙，外宇宙不會(huì )因為望遠鏡在本宇宙中的觀(guān)測距離變遠而消失。如果我們確實(shí)能觀(guān)測到這樣的類(lèi)星體，這些類(lèi)星體又不參與宇宙大爆炸后的演化，就可以判定這些類(lèi)星體就是外宇宙。
6. 真真空物理學(xué)
如果“真真空”存在，就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)新的物理學(xué)分支，真真空物理學(xué)。真真空中物質(zhì)的運動(dòng)規律顯然會(huì )不同于“真空”中的物質(zhì)運動(dòng)規律，最顯著(zhù)的一條是：真真空中物體的最快運動(dòng)速度可以超光速。在宇宙暴漲模型中[19]，我們宇宙的最外部邊界是在真真空中膨脹，或認為宇宙內部的真空是在真真空中膨脹，所以暴漲可以超光速，這個(gè)問(wèn)題在愛(ài)因斯坦相對論中是無(wú)法解釋的，但在真真空物理學(xué)中可以自然地得到解釋。
根據笛卡爾-愛(ài)因斯坦公理，真真空并非一無(wú)所有，所以物體在真真空中運動(dòng)也存在極限速度，類(lèi)比真空中的“光障”，可稱(chēng)為“真真空障”，假設這個(gè)速度為VS，則在真真空中的狹義相對論的洛倫茲變換為：
其中β為真真空馬赫數，這樣狹義相對論仍然可適用于真真空。
如果“真真空”不空，存在真真空場(chǎng)物質(zhì)，那么各真空宇宙之間將存在相互作用，可將這種相互作用稱(chēng)為“超弱相互作用”或“真真空相互作用”，它們會(huì )通過(guò)真真空場(chǎng)物質(zhì)傳遞。這種相互作用相對于真空中的四種已知的相互作用一定微弱得多，所以在真空中不需要考慮這種相互作用的影響;因此如果“真真空”存在，可能會(huì )存在第五種自然相互作用，人類(lèi)現在無(wú)法感受，但整個(gè)真空宇宙可以感受到這種作用。
另外，在真真空中一個(gè)真空宇宙膨脹時(shí)，如果與外界沒(méi)有能量交換，或能量交換與它的總能量相比可以忽略，那么這個(gè)真空宇宙在演化過(guò)程中的總能量守恒：
其中V是宇宙的體積，ρ是宇宙的平均能量密度，包括蘊涵在質(zhì)量中能量，也包括蘊涵在空間中的能量。(2)式稱(chēng)為“宇宙總能量守恒定律”，它反映了宇宙演化過(guò)程中(膨脹或收縮)的整體數量關(guān)系[20]。
7. 總結
探討“真真空的存在性問(wèn)題”是尋找未來(lái)物理學(xué)的可能研究方向，無(wú)論最終結果是肯定還是否定，估計在本世紀或下世紀內會(huì )有結論。如果真能通過(guò)望遠鏡發(fā)現外宇宙，那一定是人類(lèi)的又一個(gè)偉大發(fā)現，其意義將不亞于哥白尼提出“日心說(shuō)”。
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