在真空中,真的是空无一物吗?


在真空中,真的是空无一物吗?


“真空不空”这一观念自古就有,因为人们实在无法理解,互不接触的物体是如何相互影响的。所谓真空,就是把已知的物体都拿走之后所留下的空间。而真空不空,就是该空间一定还留有能够影响物体行为的什么东西,只是我们不知道该东西是什么。这就好比发生了一起谋杀案,一定有杀人犯,只是我们不知道这个杀人犯是什么人。

在古代,中国人认为空间充满着元气,元气聚集起来可以形成万物;而古希腊人则认为,空间充满着与普通物体截然不同的精英——以太,以太聚集起来就形成了天上的星辰。到了近代经典时期,人们又进一步地把以太想象成传播光的媒介。不过,这一想法是有疑问的。由于光速约为每秒30万公里,远大于每秒几百米的声速,所以以太的密度需要至少是空气密度的一百万倍,那会比钢板还硬,这与日月星辰的轨道运行以及我们人体的自由行走是相矛盾的。

后来,出现了压垮以太的最后一根稻草,即迈克尔逊-莫雷实验,该实验没有检测出地球相对于以太的运动。对此,爱因斯坦提出了狭义相对论,否定了特殊物理背景的存在。他认为,任何参照系,无论其质量大小,都具有相同的物理意义。比如,不同参照系上的光速都是一样的。不过,这并没有永久性地根除真空不空的问题。

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爱因斯坦在其提出的广义相对论中,认为物质和空间是相互影响的。类似马赫原理,物质可以使空间弯曲,而空间又能够决定物质的运动。于是,老问题又回来了,空间究竟是什么?既然能够影响物质的运动且可以受物质的影响而变形,说明真空不空,真空中一定有什么不为人知的东西。

于是,人们发明了一个新的概念——场。对应不同的现象有不同的场,如引力场和电磁场等。场是一个新名词,是一个宏观概念,科学家们并没有说明构成场的具体细节。其好处就是,回避了以太风和妨碍物体运动的问题。

稍后,产生了量子力学,发现所有物体都具有波粒二象性。这意味着统一物理背景的存在,而且该物理背景是不连续的。再往后,又有人提出了宇宙大爆炸理论,宇宙由密度极高的奇点,以光速膨胀至今。近几十年,为了解释宇宙的平滑性,又进一步提出了宇宙暴涨理论。根据该理论,宇宙最初的膨胀速度呈几何速度增大,远高于现在的光速c。显然,宇宙的膨胀不是普通物质的爆炸,而是真空的膨胀;真空也不是哲学或数学意义上的真空,而是具有实际物理意义的空间。于是,真空不空这一观念又再次出现在人们的视野。

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实际上,科学研究与警察破案相类似。知道有犯人存在,有具体的犯罪过程,只是苦于信息不全,无法确定罪犯究竟是何人。如何借助有限的线索来侦破案件呢?英国大侦探波洛在破获尼罗河惨案时的做法,是非常值得借鉴的。他根据有限的线索,假想罪犯可能的犯罪过程。这个犯罪过程,不仅把零散的线索有机地串联起来,而且还可以由此指引波洛发现缺失的信息,形成完整的证据链。科学研究也是如此,自然界呈现给我们的信息是不完整的,也需要我们提出假说及其相关的物理演化机制,并通过实验补足缺失的信息,以验证提出的假说。

既然真空不空是确定的,真空中一定有能够影响物体行为的某个东西,那么我们就应该把真空中导致不空的那个东西,将其当作“罪犯”找出来。以前认定的“嫌疑犯”是机械的以太,现在看来是找错了,但这并不意味着没有“罪犯”。我们应该根据新的线索,重新寻找真空中的那个未知的存在。

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线索一:在过去的一百多年里,建立了相对论和量子力学,发现了许多非经典的物理现象。比如光速不变,光速的大小仅与空间相关,而与能量无关;比如物质的质量不再守恒,可以发生质能转换,说明构成物质的粒子并非基本,而且能量意味着运动,是什么构成了最为基本的运动呢?比如任何物体都具有波粒二象性,粒子的最低能态是运动和变速的;比如能量的吸收或转化是不连续的,只能一份一份地进行;比如粒子的行为不再是确定的,具有概率的特征。

线索二:宇宙并非是一盘散沙,其既具有结构,又具有整体性。比如宇宙高速且一致地膨胀;比如宇宙中的星系普遍具有显著的光谱红移,而且该红移的大小与光的传播距离成正比。

线索三:根据宇宙的微波背景辐射,在十万分之一的幅度内,宇宙各处都是平滑一致的,都具有相当于2.7K的绝对温度,这既凸显了宇宙的整体性,又确切地表明宇宙真空是有能量的。

线索四:凡是质量非常小且接近于零的物体,它们的传播速度都是光速c,与其拥有的能量大小无关,说明在它们之间具有内在的同一性。比如,电磁波、光子、X射线、中微子和引力波等。

线索五:物质的体积是由围绕着原子核运动的电子形成的,物质的绝大部分质量都集中在很小的原子核里,所以物质的内部是非常空旷的。

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根据上述线索,我们可以给真空画一幅速写。真空是由一大堆不可再分的最小粒子即量子组成的:

无序运动的基态量子构成宇宙的物理背景(空间);受到激发的量子成为宇宙中的光子、x射线和中微子等(能量);由高能量子组成的封闭体系形成了各种基本粒子(物质)。

基态量子的大小是由普朗克常数h决定的,由基态量子的能量换算出的温度要比宇宙的背景温度2.7K略低一些。因为,后者是前者的随机涨落,类似海水与海浪的关系。由此可以推算出基态量子的能量约为10

-15尔格,其等效质量约为10-36克。

此外,在真空中,基态量子的密度可以参照核力的范围估算出来。基态量子之间的距离略小于原子核半径,约为10-14厘米。因为,核力是借助于基态量子间距附近的密度变化形成的,属于短程力。由此,我们可以推断出真空中基态量子的密度,约为每立方厘米含有1041个量子。

根据上述线索提出的这一离散的量子空间假设,比起以往的空间,具体且形象得多。但是,要把嫌疑犯确认为罪犯,还需要做好以下两个方面的工作。其一是消除与现实之间的矛盾,比如以太风和空间刚性的问题;其二是能够解决一些具体的现实问题。比如,如何理解光速不变现象、如何理解各种相互作用力以及如何解决暗能量和暗物质等问题。

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关于光速不变的问题

光子和其他粒子一样,也具有波粒二象性。其特殊性在于:静质量为零;速度极大且任何物质都无法达到光速;光速是一个不变的常量,其只与空间的密度相关而与能量的大小无关。

这些奇怪的特性是需要我们仔细推敲的。比如,没有任何实验验证光子的静质量等于零。推断光子静质量为零的理由是光子无法静止下来。然而,光速在密度较大的介质中是可以慢下来的。反之,根据不确定原理,其他基本粒子也是无法静止的。而且,静质量越小的粒子,其自由状态的速度也就越大。就此而言,光子与其他基本粒子并没有什么本质的不同。光子的速度最高,是因为其静质量最小;而光子的能量变化与其速度无关,是因为光子的动能与势能之比近似为零。

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根据菲涅尔定律,光子由光疏介质进入光密介质,其速度会降低。我们可以从极限的角度来分析这一定律。当空间效应等于零时就回到了经典力学的情形,物体的外在能量只与其动能相关,此时该物体的运动速度最大;反之,当空间效应极大时,物体的外在的能量只表现为相对于空间的势能,此时速度的变化为零。当空间效应介于这两个极端之间的时候,属于动能和势能并存的情况,这就是所谓的波粒二象性。

由于光子的静质量非常小,所以尽管其速度已经很大了,但是光子的动能相对于其势能仍然很小,以至于光子的能量变化,根据两种能量的比例,近似地表现为只是势能的变化。此外,光子相对于空间的势能是靠一定的速度来维持的。于是,光速表现为相对于空间和能量都是一个不变的常量。

不同的理论,关于光速不变性,在量上虽然只有细微的差别,但在质上却有着本质的区别。对于狭义相对论来说,光速不变是绝对的,即不同频率(能量)的光速差绝对为零;反之,对于量子空间而言,光速不变是相对

的,即不同频率的光速差与不同频率的光速之比近似为零。光子相对于量子空间的势能越大,其需要维持该势能的速度也就越大,只是不同能量的光速差远小于光子维持其势能的速度。

虽然,量子空间景观可以将光子与其他基本粒子的行为统一起来,可以使我们理解到,经典力学只是忽略了空间效应的物理学。但是,我们如何才能证明不同频率的光速不同呢?

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根据光的折射定律,折射率与入射光的前后速度之比成正比。通俗地说,就是折射现象越明显的光,其入射前后的速度变化也越大。根据棱镜实验,频率越高的光折射率越大,因而产生散射现象,由白光变成彩虹。这说明频率越高的光,其折射前后的速度变化也越大。对此有两种可能:

其一,根据狭义相对论,能量高的光速始终小于能量低的光速,只是不同频率的速度差在光疏介质中较小。作为极限,在真空时不同频率的光速差为零,在光密介质中光速差会逐渐地变大。

其二,根据量子空间景观,能量高的光速始终大于能量低的光速,只是不同频率的光速差在光疏介质中较大,在光密介质中较小。作为极限,当介质的密度无限大时不同频率的光速及光速差都会趋近于零。

由于我们可以把光疏介质不断地抽空,使之无限地接近于真空状态,并不会因此而改变棱镜实验的结果,所以我们把光密介质视为空间密度的增大,其与量子空间并没有本质的差异。于是,根据折射定律及其相关实验,只可能是第二种情况。因为,随着空间密度的增大,光速会逐渐变小,并要求不同频率的光速差也随之减小。于是,由棱镜实验得出的结论是:

频率高的光速总大于频率低的光速,不同频率的光子在真空中的速度及速度差最大,而且会随着宇宙的膨胀继续不断地增大。

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在宇宙大爆炸之初,真空中离散量子的密度很大,宇宙内部的光速接近于零。随着宇宙的膨胀,量子空间的密度显著地下降。于是,光速会迅速提高,而且不同频率的光速差也随之增大。只是,到目前为止,由于量子空间密度的绝对值仍然很大,致使不同频率的光速差仍远小于不同频率的光速,从而表现为光速不变。如果,宇宙在未来继续膨胀,空间效应持续减小,光子的势能将逐步转化为光子的动能,使光速及不同能量的光速差都在不断地提高,直至过渡到经典力学的极限情况。那时,光子相对于空间的势能为零,其全部的能量都以动能的形式存在。

关于物质生成的问题

接下来,我们探讨物质是如何随着宇宙的膨胀生成的。

在人类认识的发展历程中,每一次重大的进步都伴随着认识的重心不断地远离人类。比如,在远古时期,人与神是认识的中心与基石;稍后,地心说是以人类居住的地球为世界的中心;后来,哥白尼提出了日心说,拉开了经典力学的帷幕,世界的中心挪到了太阳;再往后,人类的视野又不断地扩展至银河系、河外星系乃至整个宇宙。不过,无论世界的中心如何外移,都始终没有脱离物质的范畴。现在,既然我们已经详细地了解了真空,发现量子空间才是宇宙的主宰,所以我们应该将认识的重心由物质转移到空间。从心理学上讲,就是把原来的认识对象(物质)与认识背景(空间)进行格式塔的转换。

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物质只是离散的量子空间(宇宙)由高密度状态转变为低密度状态(表现为大爆炸)这一过程中的副产品。当离散的量子空间高速膨胀时,其内部交流的速度即光速却非常小。于是,真空中的量子密度是不均匀的(类似泼出去的水)。宇宙因为膨胀,总体上熵在增大,但其内部的熵却减小了。于是,宇宙内部的平衡(避免熵减)只能靠把密度高的局部真空屏蔽起来。这就是场论中的节点,通俗地说就是物质,其本质是能量包,形成了静质量(被屏蔽的能量)。

当宇宙膨胀的速度随着时间的推移及其能量的不断释放而逐渐变慢时,当量子空间密度的下降使光速不断地提高时,会达到一个宇宙演化的临界点,即两个反向变化的速度相等。在此之后,不仅宇宙总体的熵随着膨胀而增加,宇宙内部的熵也会随之增加,真空会变得越来越平滑,从而不再产生新的能量包(物质)。即便是早期已经生成的能量包,也会通过其自身的衰变或聚集起来产生核反应,向真空释放能量。只有在更小的范围内,才会暂时产生熵减的过程,比如地球吸收阳光生长动植物。

量子空间的密度越小,光速就越高,意味着宇宙内部的熵增也越快,直至能量包的完全解体,降解为离散的激发量子(光)。激发量子再通过把能量逐步耗散到量子空间,使其回归为基态量子。于是,真空将归于平静,等待着下一次的演化。

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关于各种相互作用力的问题

基于量子空间景观,我们可以将所有的物理现象都归结为空间量子对能量包碰撞的对称性。只要碰撞不对称就会产生力,力亦能引起量子碰撞的不对称。物质的种种行为看起来令人眼花缭乱,但归结起来就一句话,维持空间量子碰撞的对称性。

比如,加速度会导致空间量子碰撞的不对称,所以物体具有惯性;

比如,高速运动会导致空间量子碰撞的不对称,从而增加了物体相对于量子空间的势能,并阻止物体的运动速度超过光速;

比如,类似花粉在水中的无规运动,当物体的直径远小于空间量子之间的距离时,也会引起空间量子的不对称碰撞,从而导致了粒子的波动性;

比如,作为能量包的物质会对外产生一定的热辐射,当两个物质并存时,它们之间的热辐射会产生叠加,使两物质内侧的空间量子具有高于它们外侧空间量子的热能,从而导致了两物体内外侧空间量子的不对称碰撞,由此产生的空间压力差就是万有引力,表现为量子空间对两物体的挤压;

比如,由加速度产生的量子不对称碰撞可以与两物体间产生的量子不对称碰撞相抵消,从而恢复空间量子碰撞的对称,所以物体的惯性质量等于其引力质量;

比如,两个相对同向旋转的物体(如电子与质子)会产生径向碰撞的不对称,这就是电力;类似两艘同向行驶的船只,会因两船之间的水压变小而产生吸力,反之逆向行驶时则会产生斥力;

比如,在空间量子的间距附近,量子空间密度的差异会导致空间量子碰撞的不对称,这就是核力。比间距略大处产生强相互作用力,比间距略小处产生弱相互作用力。

以上导致空间量子不对称碰撞的种种情形,囊括了经典力学、狭义相对论、广义相对论和量子力学以及四种相互作用力等各种情况。

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关于暗物质的问题

天文学家通过对远距离星系的观测,发现了偏离万有引力公式的现象。根据万有引力公式和离心力公式,当天体围绕引力源运动时,引力等于离心力,距离应该与速度的平方成反比。然而,实际的观测却是,当距离增大到一定的数值时,天体绕行的速度不再随距离的增加而减小,近似为一个常量。针对此天文大案,大致有三个“嫌疑犯”:

其一是万有引力公式,其二是不明物体,其三是真空背景。

万有引力公式的修正,牵扯面很广,毕竟已有很多天文现象是符合万有引力公式的,而且可供修正的方式也是多种多样的,不好下手。于是,理论界以证据不足为由,“释放”了万有引力公式。至于真空背景,自从狭义相对论提出之后,人们已经取消了真空背景的“户籍”,不承认有这样一个“嫌疑犯”。

于是,剩下唯一的“嫌疑犯”——不明物质(暗物质),就直接升格为“罪犯”了。证据不足?没关系,先定罪,后找证据。然而,令人遗憾的是,几十年过去了,科学家们仍然没有找到存在暗物质的确凿证据。这说明“罪犯”太狡猾,把“罪证”隐藏得太深了(定义暗物质,除了万有引力之外,没有任何其他的物理属性。),还得加大气力继续搜集证据。

这就是当前寻找暗物质的现状。根据综合计算,暗物质是我们已知物质的5倍!这么多的暗物质应该比已知物质更为常见,应该也会使我们附近的天体运行产生偏离万有引力公式的现象;而且,即便是在遥远的“犯罪现场”,对于距离引力源较近的天体运动,也应该会产生可观的影响。

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于是,真空不空,第三个“嫌疑犯”再次冒了出来。既然前两个“嫌疑犯”的取证工作遇到了困难,我们不妨看看,量子空间是否有可能会导致天体产生偏离万有引力公式的运动。根据广义相对论以及马赫原理,物质与空间是可以相互影响的。空间并不是抽象的物理框架,而是由无数个离散的量子构成的;物质也不是超然于空间孤立存在的,而是由一定数量的高能量子组成的能量包,其存在依赖于对量子空间的屏蔽。而且,两者在一定的条件下,是可以相互作用和相互转化的。因此,引力源的旋转,在一定的程度上可以带动其临近量子空间的转动。

如果量子空间完全刚性地随引力源转动,则该空间的转动速度与相对引力源的距离成正比。然而,由离散的量子组成的空间并非是刚性的,随着距离的增大,其服从引力源转动的比例会越来越小。于是,两项相抵,量子空间的等效转动速度,在一定的范围内(忽略其他大物质的影响)近似为一个与距离无关的常数。

由于离心力的产生是缘于相对量子空间的加速导致了空间量子的不对称碰撞,所以引起离心力的速度,是相对于量子空间而言的。于是,真正产生离心力的速度,是天体的表观速度减去量子空间的等效速度,即VV - V

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当距离引力源较近时,由于离心速度很大,天体的表观速度远大于真空背景的等效速度,从而使后者可以忽略不计,属于符合万有引力公式的经典情况,即忽略了量子空间转动的影响;当距离引力源较远时,由于离心速度迅速变小,使天体的表观速度近似等于量子空间的等效转速。于是,天体的表观速度不再随距离的增大而变小,显现为偏离万有引力公式的非经典情况。

量子空间的非平直分布,对天体运动的影响是普适的。即便是在太阳系也会受到这一影响,产生偏离万有引力公式的情况。只是,由于太阳的质量较小,其自转速度也比较慢(2km/s),所以由其产生的量子空间的等效转速非常低,从而量子空间的非平直性对太阳系内行星运动的影响是微乎其微的。尽管如此,人类早在19世纪还是发现了在太阳系中偏离万有引力公式的现象,即著名的水星剩余进动。

所谓进动,就是行星到太阳最远距离的连线,每绕行太阳一圈就会向前多转动一个角度。由于水星距离太阳很近,且其绕太阳运动的偏心率比较大,因而具有显著的进动。水星每百年大约有5600秒的进动,其中有43秒的进动无法由万有引力公式予以解释。因此,这43秒的进动就被称为剩余进动。

如果我们定义量子空间的等效转速与行星绕太阳公转的速度之比为速度偏差率,则该速度偏差率就等于行星绕太阳一周所产生的剩余进动率。由此计算出水星的速度偏差率为2.88×10-5。水星绕太阳公转的速度为48公里/秒,乘以水星的速度偏差率,换算出在水星运动的区域,量子空间的等效转速是1.38米/秒。

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此外,根据爱因斯坦的质能公式,质量与其所包含的能量成正比,与光速的平方成反比。于是,如果宇宙是膨胀的,那么在遥远的过去(比如100亿年前),会因为量子空间的密度较大使光速较小,从而那时的质量要比现在大得多。也就是说,今天质量的“缺失”,是昔日质量效应较大的缘故。

对于同一个天体,将过去质量较大时候的离心速度与现在变小的质量相对应,必然会表现出相对于万有引力公式的偏离,因为两者并不匹配。这就如同,将幼时的头像安到老年人的身上,虽然画的是同一个人,但在画中看到的却是一个怪物。更何况,宇宙早期空间效应的增大,还会导致引力常数变大。由此,可以解释引力透镜效应过大的现象,因为早年间的质量和引力都要比现在大得多。

于是,就此可以结案了,暗物质被“无罪释放”。根据量子空间景观,不需要特设暗物质。

关于暗能量的问题

暗能量的提出是缘于星光的普遍红移,而且人们相信,该红移意味着星系之间在相互退行(最近更有说法认为各个星系在相互加速分离)。如果仅考虑物质的因素,那么所有天体都会因万有引力而重新聚合,这与上述星系之间相互退行的宇宙景观相背离。为此,需要假设存在着一种目前尚不为人所知的能量来抗拒万有引力,这就是暗能量。

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如果宇宙的膨胀与否只取决于万有引力和暗能量,而且两者大体上是平衡的,那么根据计算,在整个宇宙所包含的能量中,暗能量占70%,物质占30%。这是站在一维的物质观得出的推断。然而,由于真空不空,如果我们站在充满着离散量子的空间来思考,物质对量子空间的影响只局限于其附近很小的范围。就整体而言,物质对空间的影响是可以忽略不计的。

实际上,真空不空,真空中充满着无规(热)运动的基态量子就是所谓的暗能量。根据前面估算的量子空间密度和单个量子的能量,在我们的宇宙中每立方厘米所含基态量子的能量约高达1026尔格,其相当于100公斤左右的质量。而物质在宇宙中的密度是非常小的,小到每立方厘米连一个质子都摊不上。

由于离散的基态量子太过细小且物质内部的空间又非常空旷,所以在通常的情况下,我们察觉不出它们的存在,是名副其实的暗能量。如果,我们把视野扩展至拥有无数个宇宙的自然界,就会得出这样一个结论:一个具体的宇宙,其膨胀与收缩,并不取决于其内部空间能量与内部物质总量的对比,而是取决于其内外部空间能量的比值。

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关于星系普遍红移的问题

哈勃将星系的普遍红移归因为星系的退行,进而得出宇宙膨胀的结论。这只是关于星系普遍红移的数种解释之一,而且是一个有疑问的解释。

首先,就整体而言,宇宙目前并不处于熵减状态,不再大规模地产生新的能量包(物质)。由此表明,宇宙的膨胀速度已经远小于宇宙内部的传播速度(光速)。

其次,由于光子的静质量非常小,由星系的退行速度所产生的运动红移会比较小,不足以解释所观察到的星系红移。根据观测,星系的平均运动速度约为光速的1%,由此产生的红移不足万分之一,而实际观测到的星系平均红移却高达0.1。

最后,作为非常态,相对于宇宙的生命周期,宇宙大爆炸的时间应该是非常短暂的。越是暴涨的宇宙,宇宙暴涨的时间就越短,两者是成反比关系的。在急剧改变状态之后,宇宙内外部的能量对比发生了根本性的改变。在现阶段,宇宙处于相对平稳期,这与百亿年来天体结构的稳定以及基本粒子长时间的存在相符合。否则的话,也不可能有机会进化出我们人类。

对此,有学者认为,只有大尺度的天体才能够感受到宇宙的膨胀,小尺度的天体如星系(银河系)和恒星系(太阳系),由于受到万有引力的束缚,得以保持稳定存在,不受宇宙膨胀的影响。然而,根据万有引力公式计算,地球与太阳、太阳与银河系、星系与星系、星系团与星系等之间的万有引力大小是差不多的。质量的增大足以抵消距离的增加。

而且,这些天体之间的空隙非常大,比如距离太阳最近的一些恒星也都在数光年之外。

退一步来说,就算太阳系受到宇宙空间膨胀的力相对于太阳与地球的引力比较小,也应该产生偏离万有引力的情况。特别是经过40多亿年的积累,其偏离现象应该变得非常明显,甚至早就会破坏两者的稳定结构了。太阳与银河系的关系也是如此,而且银河系稳定存在的时间更长,超过了100亿年。

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真空不空,真空中充满着离散的基态量子,而光子是受到激发的量子。光子在基态量子海中游泳(穿行)时,必然会产生能量的耗散,将其部分能量以热的方式归还给量子空间,这就是光的耗散红移。光的耗散红移与光的传播距离成正比,这就是著名的哈勃定律。

根据广义相对论的等效原理,引力红移相当于在加速传播的过程中产生的耗散红移。因速度产生的耗散红移与因加速度产生的耗散红移,在本质上是相同的。无论是前者的匀速运动还是后者的加速运动,都会引起空间量子的不对称碰撞,从而将光子的部分能量转移给了量子空间,都属于能量变化红移。只是,它们引起不对称碰撞的程度及其效率是有所不同的,具有较大的差异。

所以,光线传播相对于量子空间产生的耗散现象,与广义相对论预言并得到实验验证的引力红移是“同生共死”的。由此,可以间接地证明,光在匀速传播过程中也会产生耗散红移。而且,在各种不同的红移中,只有耗散红移可以在其传播的过程中集腋成裘,经过数十亿年的传播使该红移量积累到实际观测的水平,即平均红移为0.1。

于是,我们只能用耗散红移来解释哈勃定律,天体的普遍红移是关于真空不空的证明。此外,耗散红移还可以解释奥伯斯佯谬,即夜空为什么是黑的。因为,光在其传播的过程中会损耗能量,使光的频率移出可见光的范围,并最终还原为基态量子。

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关于迈克尔逊-莫雷实验

尽管,任何实验都是客观的,就像案件的发生是真实的,但是关于实验的推论即“嫌疑犯”却不止一个(人)。比如,对于迈克尔逊-莫雷实验的零结果可以有多种解释,否证以太的存在只是其中的数种解释之一。而且,即便是爱因斯坦,也并不认为该实验否证了代表空间的以太。他只是认为,根据狭义相对论,以太没有存在的必要。爱因斯坦用空间几何填补了因放弃真空不空观念所留下的空白。关于实验零结果的其他解释还有:运动收缩、空气带动以及服从光源等。

在当时,之所以放弃真空不空的观念,主要是无法想象,物体如何在高密度的真空中运动。不过,在以后的几十年间,通过广义相对论和量子力学的建立及其相关实验的验证,科学家们发现了许多不同于经典力学的规律和现象。

比如,普朗克常数h的被发现,表明在我们的宇宙中存在着不可再分的最小粒子即量子;

比如,光速与能量无关,表明相对于空间势能的存在;

比如,包括光子在内的所有物体都无一例外地具有波粒二象性,表明存在着影响各种物体行为的物理背景,而且该背景是不连续的;

比如,发现物质的质量集中在很小的原子核中,说明物体的内部是非常空旷的;

比如,引力波的被发现且其以光速传播,表明不存在超距作用,而且引力波、光子、中微子和量子等在本质上都是相同的;

比如,发现了高度对称的微波背景辐射,表明了量子空间的存在。

于是,我们有必要回到真空不空的观念上来,重新考察迈克尔逊-莫雷实验零结果的其他可能。我们发现光速与光源无关的现象,只发生在遥远的星空,属于远距离的极限情况;而光速与光源相关的迈克尔逊-莫雷实验,其臂长只有1米,属于近距离的极限情况。针对上述现象的一个合理推论是,影响光子运动的物理背景,最初是光源内部的空间,然后才是光源外部的空间。光速相对于不同速度的空间,都是不变的。

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于是,当内部空间和外部空间的速度不同时,光速有一个由服从内部空间到服从外部空间的变换过程。而且,相对于光子进入不同的空间,光速的变换有一个时间的滞后,这就如同一个人进入异国他乡并不能立刻入乡随俗。

类似基本粒子的衰变有半衰期,光速的转变也会在光子脱离光源时有一个半转变距离。这个半转变距离的长短与光子和空间量子的频率相关。回到迈克尔逊-莫雷实验,实验的距离只有1米。在此距离内,光子具有一定的惯性,来不及相对于外部空间以速度

c运动,所以实验的结果近似为零。如果我们把该实验的尺度加长数公里,使其远大于半转变距离时,就能够看到干涉条纹的移动。无数遥远的星光都相对于空间以速度c运动,就是这一解释的有力证明。在那些运动的天体看来,离开的光线发生了红移现象,其中除了引力红移还有运动红移,光子的部分势能转化为动能。因为,相对于这些发光天体而言,其所发出的光,速度增大了。

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关于空间阻力的问题

为什么面对如此大的真空密度,我们在低速行走时感受不到任何阻碍,而在高速运动时却又受到限制,从而无法超越光速呢?这是因为物体在低速运动时,产生不对称量子碰撞的几率是微乎其微的。而且,物体的质量大都集中在很小的原子核内,物体的内部是非常空旷的,很多细小且离散的量子可以无障碍地自由穿过。

只有当物体的运动接近于光速时,量子空间效应变大(类似赤脚划水运动),该空间才会变得比钢板还硬,以至于不同层次的物体在其达到光速之前就解体了,还原为各种激发量子如光子和中微子等。从理论上讲,并不是没有足够的能量将物体加速至光速(类似突破音障),而是因为作为封闭体系的物体强度不够,其在被加速至光速之前就已解体,还原为光子了。

至此,我们看到,赋予真空具体的物理意义,即真空是由无数个细小的离散量子构成的,可以将各种不同的物理现象统一起来,使我们获得一个有机的量子宇宙景观:

宇宙是由两大类物体构成的,第一类物体的静质量极小,具有类光性,属于能量的范畴;第二类物体的静质量极大,具有类物性,属于物质的范畴。

根据人类认识的基本原则——凡是具体的都是有限的,无论是哪一类物体,它们的静质量都是有限的,介于零与无穷大之间。此外,因为宇宙最基本的特性就是运动,而运动必须要有确定的载体。任何质量为零或无穷大的物体,其运动都是不可想象的,因而也是不存在的。

在真空中,真的是空无一物吗?

第一类物体是离散的量子。离散的量子可以进一步地细分为无规运动的基态量子和有向运动的激发量子。前者是热运动,占绝对的多数,构成了宇宙的物理背景;后者是有向运动,随着能量的提高,可以被依次细分为引力波、电磁波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ 射线和中微子等。这类物体的静质量极小,除了说明其本身所固有的能量很小之外,还意味着动能在其外在能量中所占有的比例极小,以至于它们外在能量的变化都是以相对于量子空间的势能为主,从而表现为速度不变。

所谓速度不变有两个含义:其一是在不同速度的真空背景(量子空间)中的传播速度是一样的;其二是拥有不同能量的物体,它们的运动速度是一样的。需要说明的是,量子空间并不是始终平直的,会受物质的影响而产生不同的分布;不同能量的速度也并不是绝对相等的,其速度会随着能量的增大而提高,只是增加的速度相对原有的速度是微不足道的。


在真空中,真的是空无一物吗?

因此,第二类物体具有可分解、可变速和可借助量子空间进行相互作用等特点。作为第二类物体,由激发量子组成的能量包还可以进一步地划分为两类,它们是由激发量子直接组成的能量包和由激发量子间接组成的能量包。前者是各种基本粒子及共振态,后者则根据封闭层次的增加,依次细分为原子、分子、大分子、行星、恒星、星系和星系团等。

由激发量子直接组成的能量包,是由数个激发量子受困于彼此形成的。在一定的条件下,这些激发量子一方面受离散量子的影响不能无限地接近,另一方面又由于运动被量子空间屏蔽不能相互远离。由此组合为能量包,表现出数个激发量子的整体性。

处于势阱中的量子,其允许存在的能量状态是量子化的,是由基态和一系列不连续的激发态构成的。能量越高的激发态越不稳定,会在更短的时间内释放能量跃迁回基态,或借助于隧道效应以较大的概率逃逸出来,产生粒子的衰变。

比如,三个激发量子组合的基态封闭体系为电子,其激发态为各种轻粒子;四个激发量子组合的基态封闭体系为派介子,其激发态为各种介子;五个激发量子组合的基态封闭体系为质子,其激发态为各种重粒子及共振态。反粒子也属于粒子的激发态,只不过该激发态与基态封闭体系的能量差较小(仅仅是自旋方向相反),需要较长的时间才会释放能量衰变回基态粒子。由此,可以解释为什么不存在大规模的反物质。

关于宇宙真空不空的探索过程到此就结束了。离散的量子是否能名至实归地填充到真空中,担当起真空不空的大任,取决于在这一物理背景下,能否更好地理解我们的有机世界。


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