宇宙中存在完全的真空吗?

作者: 亚伯拉罕·洛布(Abraham Loeb)

来源: 环球科学

发布日期: 2021-05-09

文章探讨了宇宙中是否存在完全的真空,指出太空并不空旷,充满了大爆炸的遗留物如质子、电子、光子和中微子。文章还讨论了暗能量对宇宙膨胀的影响,以及量子力学中的真空涨落现象,如卡西米尔效应和安鲁效应。最后,文章提出了关于宇宙起源的更深层次问题,即大爆炸之前的情况和宇宙是否诞生于真空涨落。

在天文学家眼中,空旷、黑暗的宇宙深处充满着迷人的景致。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。”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。

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。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。

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。

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。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。

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