科學探索之「真空」到底是什麼?

“真空”是物理理論模型中的一個基礎元素,它看起來很好理解,就是“空無一物”、“真正的空”。在這個理論模型中,它可以是永恆不變的,代表了唯一的含義。然而人們對真空的理解和認識卻隨著科學知識的進步不斷髮生著變化,在科學探索史上一波三折,留下了精彩的篇章。

在科學的矇昧時期,人們依靠感官來認識和理解什麼是“空”。日月星辰、大地海洋、山川河流、蟲魚鳥獸,這都是活生生的形象,刺激著人類的視覺、聽覺、觸覺,而天地之間似乎空無一物,看不到、聽不見、摸不著,這顯然就是“空”了,古人的直覺自然這麼認為。雖然有風雲變幻,氣化蒸騰,但人們卻將它們當作不同的事物,沒有因此而認識到空氣的存在。這便是“真空”的最初認識階段。

科學探索之“真空”到底是什麼?

隨著科學尤其是化學的發展,人們對空氣和氣體的研究不斷深入。人們對化學燃燒現象進行了深入研究,藉助於燃素說的理論,人們進行了一系列實驗,終於發現:根本就不存在什麼燃素,燃燒僅僅是燃燒物質與空氣中的氧氣發生的化學反應。而還有一部分則是不發生反應的氣體,人們將之稱為氮氣。人類也是在不斷地呼吸著氧氣,才維持著生命的新陳代謝作用而得以生存繁衍。聲音通過空氣的波動而得以傳播。當然,後來又發現了空氣中一些佔比很少的惰性氣體,他們共同組成了我們地球的空氣。“真空”中還存在著空氣!人們認識到,只有將空氣排除出去,才能叫做“真空”。這是對“真空”認識的第二階段,也是現代人們最容易理解的階段。

後來,隨著科學對光現象認識的深入和解釋,人類建立了輝煌的電磁理論,確立了光的波動學說,而為了解決光波的媒介問題,人們提出:空間中充滿了以太,以太這種物質,均勻地充滿整個宇宙空間,它不可見又密度稀薄,它是電磁波得以傳播的介質。以太充滿了空間,這是人們認識的另一個階段。然而,隨著相對論的建立,人們最終摒棄了以太觀念,證明這是一個錯誤的理解。這也算是對真空認識的一個小插曲吧。

到了現代,科學為了解決“兩朵小烏雲”的問題而走上了岔路,建立了從根本上來說不相容的兩種理論:相對論和量子力學。而這時對真空的認識也隨之走上了岔路,至今無法彌合。

科學探索之“真空”到底是什麼?

按照相對論的理解,真空也就是空間,它更像是一種柔性物質,這種物質因物質的存在而發生了扭曲,根據質量的大小而扭曲程度不同,扭曲帶來了引力。根據相對論,我們得以理解廣袤而神秘的宇宙,發現了黑洞等奇異天體。在這種情況下,真空好像變成了一種物質,而原來我們理解的真空則變成了一種純粹的理論。這時的“真空”,如水一般柔順光滑,富於變化,萬物處於其中,隨之漂流。

而按照量子理論的理解,真空則成為了一種“場”,現在的標準粒子模型認為,真空就是一片負能量電子海,或者說是希格斯場,大大小小的粒子在其中產生、湮滅,像一鍋開水沸騰著,物質從中產生又消失。這有點像是東方哲學的說法了:無中生有、有生於無。老子說:“道生一,一生二,二生三,三生萬物。”是不是看起來似曾相似呢?現代宇宙學也認為宇宙本身都很可能產生於一次量子漲落事件。科學與東方神秘哲學似乎在這裡不期而遇了。這時的真空,就像是一片海,裡面蘊藏著無限的能量,甚至可以創造出宇宙本身。它更像是宇宙的根本、萬物之源,“無極”。

科學探索之“真空”到底是什麼?

然而,還有一些未來理論,未被實驗所證實的新理論,那就是“弦理論”、“M理論”,最有可能的萬物統一理論。在這個理論中,人們發現了空間更為奇妙的性質。宇宙空間也許不是僅僅只有三維,而是有十一個維度!空間變成了一種奇妙的似乎是想象中的事物,蜷縮的六個空間維度和一個時間維度共同構成了我們的空間。這時的“真空”變成了佈滿無數六維小球的奇異空間。當然,這樣描述並不精確,但現在已難以想象它到底是什麼樣子了,這個理論還有待進一步完善。這是“真空”的未來階段,想象中的“真空”。

人類對“真空”認識的變化就像是上演了一出夢幻大戲,科學隨著對“真空”認識的變化而不斷髮展進步,成為了一部史詩級的傳說。後來的“真空”已經不是理論模型中的那個空無一物的“真空”了。然而,對“真空”真正含義的探索還會繼續,為科學的發展譜寫新的偉大篇章。

科學探索之“真空”到底是什麼?


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