在真空中,真的是空無一物嗎?


在真空中,真的是空無一物嗎?


“真空不空”這一觀念自古就有,因為人們實在無法理解,互不接觸的物體是如何相互影響的。所謂真空,就是把已知的物體都拿走之後所留下的空間。而真空不空,就是該空間一定還留有能夠影響物體行為的什麼東西,只是我們不知道該東西是什麼。這就好比發生了一起謀殺案,一定有殺人犯,只是我們不知道這個殺人犯是什麼人。

在古代,中國人認為空間充滿著元氣,元氣聚集起來可以形成萬物;而古希臘人則認為,空間充滿著與普通物體截然不同的精英——以太,以太聚集起來就形成了天上的星辰。到了近代經典時期,人們又進一步地把以太想象成傳播光的媒介。不過,這一想法是有疑問的。由於光速約為每秒30萬公里,遠大於每秒幾百米的聲速,所以以太的密度需要至少是空氣密度的一百萬倍,那會比鋼板還硬,這與日月星辰的軌道運行以及我們人體的自由行走是相矛盾的。

後來,出現了壓垮以太的最後一根稻草,即邁克爾遜-莫雷實驗,該實驗沒有檢測出地球相對於以太的運動。對此,愛因斯坦提出了狹義相對論,否定了特殊物理背景的存在。他認為,任何參照系,無論其質量大小,都具有相同的物理意義。比如,不同參照系上的光速都是一樣的。不過,這並沒有永久性地根除真空不空的問題。

在真空中,真的是空無一物嗎?

愛因斯坦在其提出的廣義相對論中,認為物質和空間是相互影響的。類似馬赫原理,物質可以使空間彎曲,而空間又能夠決定物質的運動。於是,老問題又回來了,空間究竟是什麼?既然能夠影響物質的運動且可以受物質的影響而變形,說明真空不空,真空中一定有什麼不為人知的東西。

於是,人們發明了一個新的概念——場。對應不同的現象有不同的場,如引力場和電磁場等。場是一個新名詞,是一個宏觀概念,科學家們並沒有說明構成場的具體細節。其好處就是,迴避了以太風和妨礙物體運動的問題。

稍後,產生了量子力學,發現所有物體都具有波粒二象性。這意味著統一物理背景的存在,而且該物理背景是不連續的。再往後,又有人提出了宇宙大爆炸理論,宇宙由密度極高的奇點,以光速膨脹至今。近幾十年,為了解釋宇宙的平滑性,又進一步提出了宇宙暴漲理論。根據該理論,宇宙最初的膨脹速度呈幾何速度增大,遠高於現在的光速c。顯然,宇宙的膨脹不是普通物質的爆炸,而是真空的膨脹;真空也不是哲學或數學意義上的真空,而是具有實際物理意義的空間。於是,真空不空這一觀念又再次出現在人們的視野。

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實際上,科學研究與警察破案相類似。知道有犯人存在,有具體的犯罪過程,只是苦於信息不全,無法確定罪犯究竟是何人。如何藉助有限的線索來偵破案件呢?英國大偵探波洛在破獲尼羅河慘案時的做法,是非常值得借鑑的。他根據有限的線索,假想罪犯可能的犯罪過程。這個犯罪過程,不僅把零散的線索有機地串聯起來,而且還可以由此指引波洛發現缺失的信息,形成完整的證據鏈。科學研究也是如此,自然界呈現給我們的信息是不完整的,也需要我們提出假說及其相關的物理演化機制,並通過實驗補足缺失的信息,以驗證提出的假說。

既然真空不空是確定的,真空中一定有能夠影響物體行為的某個東西,那麼我們就應該把真空中導致不空的那個東西,將其當作“罪犯”找出來。以前認定的“嫌疑犯”是機械的以太,現在看來是找錯了,但這並不意味著沒有“罪犯”。我們應該根據新的線索,重新尋找真空中的那個未知的存在。

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線索一:在過去的一百多年裡,建立了相對論和量子力學,發現了許多非經典的物理現象。比如光速不變,光速的大小僅與空間相關,而與能量無關;比如物質的質量不再守恆,可以發生質能轉換,說明構成物質的粒子並非基本,而且能量意味著運動,是什麼構成了最為基本的運動呢?比如任何物體都具有波粒二象性,粒子的最低能態是運動和變速的;比如能量的吸收或轉化是不連續的,只能一份一份地進行;比如粒子的行為不再是確定的,具有概率的特徵。

線索二:宇宙並非是一盤散沙,其既具有結構,又具有整體性。比如宇宙高速且一致地膨脹;比如宇宙中的星系普遍具有顯著的光譜紅移,而且該紅移的大小與光的傳播距離成正比。

線索三:根據宇宙的微波背景輻射,在十萬分之一的幅度內,宇宙各處都是平滑一致的,都具有相當於2.7K的絕對溫度,這既凸顯了宇宙的整體性,又確切地表明宇宙真空是有能量的。

線索四:凡是質量非常小且接近於零的物體,它們的傳播速度都是光速c,與其擁有的能量大小無關,說明在它們之間具有內在的同一性。比如,電磁波、光子、X射線、中微子和引力波等。

線索五:物質的體積是由圍繞著原子核運動的電子形成的,物質的絕大部分質量都集中在很小的原子核裡,所以物質的內部是非常空曠的。

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根據上述線索,我們可以給真空畫一幅速寫。真空是由一大堆不可再分的最小粒子即量子組成的:

無序運動的基態量子構成宇宙的物理背景(空間);受到激發的量子成為宇宙中的光子、x射線和中微子等(能量);由高能量子組成的封閉體系形成了各種基本粒子(物質)。

基態量子的大小是由普朗克常數h決定的,由基態量子的能量換算出的溫度要比宇宙的背景溫度2.7K略低一些。因為,後者是前者的隨機漲落,類似海水與海浪的關係。由此可以推算出基態量子的能量約為10

-15爾格,其等效質量約為10-36克。

此外,在真空中,基態量子的密度可以參照核力的範圍估算出來。基態量子之間的距離略小於原子核半徑,約為10-14釐米。因為,核力是藉助於基態量子間距附近的密度變化形成的,屬於短程力。由此,我們可以推斷出真空中基態量子的密度,約為每立方厘米含有1041個量子。

根據上述線索提出的這一離散的量子空間假設,比起以往的空間,具體且形象得多。但是,要把嫌疑犯確認為罪犯,還需要做好以下兩個方面的工作。其一是消除與現實之間的矛盾,比如以太風和空間剛性的問題;其二是能夠解決一些具體的現實問題。比如,如何理解光速不變現象、如何理解各種相互作用力以及如何解決暗能量和暗物質等問題。

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關於光速不變的問題

光子和其他粒子一樣,也具有波粒二象性。其特殊性在於:靜質量為零;速度極大且任何物質都無法達到光速;光速是一個不變的常量,其只與空間的密度相關而與能量的大小無關。

這些奇怪的特性是需要我們仔細推敲的。比如,沒有任何實驗驗證光子的靜質量等於零。推斷光子靜質量為零的理由是光子無法靜止下來。然而,光速在密度較大的介質中是可以慢下來的。反之,根據不確定原理,其他基本粒子也是無法靜止的。而且,靜質量越小的粒子,其自由狀態的速度也就越大。就此而言,光子與其他基本粒子並沒有什麼本質的不同。光子的速度最高,是因為其靜質量最小;而光子的能量變化與其速度無關,是因為光子的動能與勢能之比近似為零。

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根據菲涅爾定律,光子由光疏介質進入光密介質,其速度會降低。我們可以從極限的角度來分析這一定律。當空間效應等於零時就回到了經典力學的情形,物體的外在能量只與其動能相關,此時該物體的運動速度最大;反之,當空間效應極大時,物體的外在的能量只表現為相對於空間的勢能,此時速度的變化為零。當空間效應介於這兩個極端之間的時候,屬於動能和勢能並存的情況,這就是所謂的波粒二象性。

由於光子的靜質量非常小,所以儘管其速度已經很大了,但是光子的動能相對於其勢能仍然很小,以至於光子的能量變化,根據兩種能量的比例,近似地表現為只是勢能的變化。此外,光子相對於空間的勢能是靠一定的速度來維持的。於是,光速表現為相對於空間和能量都是一個不變的常量。

不同的理論,關於光速不變性,在量上雖然只有細微的差別,但在質上卻有著本質的區別。對於狹義相對論來說,光速不變是絕對的,即不同頻率(能量)的光速差絕對為零;反之,對於量子空間而言,光速不變是相對

的,即不同頻率的光速差與不同頻率的光速之比近似為零。光子相對於量子空間的勢能越大,其需要維持該勢能的速度也就越大,只是不同能量的光速差遠小於光子維持其勢能的速度。

雖然,量子空間景觀可以將光子與其他基本粒子的行為統一起來,可以使我們理解到,經典力學只是忽略了空間效應的物理學。但是,我們如何才能證明不同頻率的光速不同呢?

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根據光的折射定律,折射率與入射光的前後速度之比成正比。通俗地說,就是折射現象越明顯的光,其入射前後的速度變化也越大。根據稜鏡實驗,頻率越高的光折射率越大,因而產生散射現象,由白光變成彩虹。這說明頻率越高的光,其折射前後的速度變化也越大。對此有兩種可能:

其一,根據狹義相對論,能量高的光速始終小於能量低的光速,只是不同頻率的速度差在光疏介質中較小。作為極限,在真空時不同頻率的光速差為零,在光密介質中光速差會逐漸地變大。

其二,根據量子空間景觀,能量高的光速始終大於能量低的光速,只是不同頻率的光速差在光疏介質中較大,在光密介質中較小。作為極限,當介質的密度無限大時不同頻率的光速及光速差都會趨近於零。

由於我們可以把光疏介質不斷地抽空,使之無限地接近於真空狀態,並不會因此而改變稜鏡實驗的結果,所以我們把光密介質視為空間密度的增大,其與量子空間並沒有本質的差異。於是,根據折射定律及其相關實驗,只可能是第二種情況。因為,隨著空間密度的增大,光速會逐漸變小,並要求不同頻率的光速差也隨之減小。於是,由稜鏡實驗得出的結論是:

頻率高的光速總大於頻率低的光速,不同頻率的光子在真空中的速度及速度差最大,而且會隨著宇宙的膨脹繼續不斷地增大。

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在宇宙大爆炸之初,真空中離散量子的密度很大,宇宙內部的光速接近於零。隨著宇宙的膨脹,量子空間的密度顯著地下降。於是,光速會迅速提高,而且不同頻率的光速差也隨之增大。只是,到目前為止,由於量子空間密度的絕對值仍然很大,致使不同頻率的光速差仍遠小於不同頻率的光速,從而表現為光速不變。如果,宇宙在未來繼續膨脹,空間效應持續減小,光子的勢能將逐步轉化為光子的動能,使光速及不同能量的光速差都在不斷地提高,直至過渡到經典力學的極限情況。那時,光子相對於空間的勢能為零,其全部的能量都以動能的形式存在。

關於物質生成的問題

接下來,我們探討物質是如何隨著宇宙的膨脹生成的。

在人類認識的發展歷程中,每一次重大的進步都伴隨著認識的重心不斷地遠離人類。比如,在遠古時期,人與神是認識的中心與基石;稍後,地心說是以人類居住的地球為世界的中心;後來,哥白尼提出了日心說,拉開了經典力學的帷幕,世界的中心挪到了太陽;再往後,人類的視野又不斷地擴展至銀河系、河外星系乃至整個宇宙。不過,無論世界的中心如何外移,都始終沒有脫離物質的範疇。現在,既然我們已經詳細地瞭解了真空,發現量子空間才是宇宙的主宰,所以我們應該將認識的重心由物質轉移到空間。從心理學上講,就是把原來的認識對象(物質)與認識背景(空間)進行格式塔的轉換。

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物質只是離散的量子空間(宇宙)由高密度狀態轉變為低密度狀態(表現為大爆炸)這一過程中的副產品。當離散的量子空間高速膨脹時,其內部交流的速度即光速卻非常小。於是,真空中的量子密度是不均勻的(類似潑出去的水)。宇宙因為膨脹,總體上熵在增大,但其內部的熵卻減小了。於是,宇宙內部的平衡(避免熵減)只能靠把密度高的局部真空屏蔽起來。這就是場論中的節點,通俗地說就是物質,其本質是能量包,形成了靜質量(被屏蔽的能量)。

當宇宙膨脹的速度隨著時間的推移及其能量的不斷釋放而逐漸變慢時,當量子空間密度的下降使光速不斷地提高時,會達到一個宇宙演化的臨界點,即兩個反向變化的速度相等。在此之後,不僅宇宙總體的熵隨著膨脹而增加,宇宙內部的熵也會隨之增加,真空會變得越來越平滑,從而不再產生新的能量包(物質)。即便是早期已經生成的能量包,也會通過其自身的衰變或聚集起來產生核反應,向真空釋放能量。只有在更小的範圍內,才會暫時產生熵減的過程,比如地球吸收陽光生長動植物。

量子空間的密度越小,光速就越高,意味著宇宙內部的熵增也越快,直至能量包的完全解體,降解為離散的激發量子(光)。激發量子再通過把能量逐步耗散到量子空間,使其迴歸為基態量子。於是,真空將歸於平靜,等待著下一次的演化。

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關於各種相互作用力的問題

基於量子空間景觀,我們可以將所有的物理現象都歸結為空間量子對能量包碰撞的對稱性。只要碰撞不對稱就會產生力,力亦能引起量子碰撞的不對稱。物質的種種行為看起來令人眼花繚亂,但歸結起來就一句話,維持空間量子碰撞的對稱性。

比如,加速度會導致空間量子碰撞的不對稱,所以物體具有慣性;

比如,高速運動會導致空間量子碰撞的不對稱,從而增加了物體相對於量子空間的勢能,並阻止物體的運動速度超過光速;

比如,類似花粉在水中的無規運動,當物體的直徑遠小於空間量子之間的距離時,也會引起空間量子的不對稱碰撞,從而導致了粒子的波動性;

比如,作為能量包的物質會對外產生一定的熱輻射,當兩個物質並存時,它們之間的熱輻射會產生疊加,使兩物質內側的空間量子具有高於它們外側空間量子的熱能,從而導致了兩物體內外側空間量子的不對稱碰撞,由此產生的空間壓力差就是萬有引力,表現為量子空間對兩物體的擠壓;

比如,由加速度產生的量子不對稱碰撞可以與兩物體間產生的量子不對稱碰撞相抵消,從而恢復空間量子碰撞的對稱,所以物體的慣性質量等於其引力質量;

比如,兩個相對同向旋轉的物體(如電子與質子)會產生徑向碰撞的不對稱,這就是電力;類似兩艘同向行駛的船隻,會因兩船之間的水壓變小而產生吸力,反之逆向行駛時則會產生斥力;

比如,在空間量子的間距附近,量子空間密度的差異會導致空間量子碰撞的不對稱,這就是核力。比間距略大處產生強相互作用力,比間距略小處產生弱相互作用力。

以上導致空間量子不對稱碰撞的種種情形,囊括了經典力學、狹義相對論、廣義相對論和量子力學以及四種相互作用力等各種情況。

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關於暗物質的問題

天文學家通過對遠距離星系的觀測,發現了偏離萬有引力公式的現象。根據萬有引力公式和離心力公式,當天體圍繞引力源運動時,引力等於離心力,距離應該與速度的平方成反比。然而,實際的觀測卻是,當距離增大到一定的數值時,天體繞行的速度不再隨距離的增加而減小,近似為一個常量。針對此天文大案,大致有三個“嫌疑犯”:

其一是萬有引力公式,其二是不明物體,其三是真空背景。

萬有引力公式的修正,牽扯麵很廣,畢竟已有很多天文現象是符合萬有引力公式的,而且可供修正的方式也是多種多樣的,不好下手。於是,理論界以證據不足為由,“釋放”了萬有引力公式。至於真空背景,自從狹義相對論提出之後,人們已經取消了真空背景的“戶籍”,不承認有這樣一個“嫌疑犯”。

於是,剩下唯一的“嫌疑犯”——不明物質(暗物質),就直接升格為“罪犯”了。證據不足?沒關係,先定罪,後找證據。然而,令人遺憾的是,幾十年過去了,科學家們仍然沒有找到存在暗物質的確鑿證據。這說明“罪犯”太狡猾,把“罪證”隱藏得太深了(定義暗物質,除了萬有引力之外,沒有任何其他的物理屬性。),還得加大氣力繼續蒐集證據。

這就是當前尋找暗物質的現狀。根據綜合計算,暗物質是我們已知物質的5倍!這麼多的暗物質應該比已知物質更為常見,應該也會使我們附近的天體運行產生偏離萬有引力公式的現象;而且,即便是在遙遠的“犯罪現場”,對於距離引力源較近的天體運動,也應該會產生可觀的影響。

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於是,真空不空,第三個“嫌疑犯”再次冒了出來。既然前兩個“嫌疑犯”的取證工作遇到了困難,我們不妨看看,量子空間是否有可能會導致天體產生偏離萬有引力公式的運動。根據廣義相對論以及馬赫原理,物質與空間是可以相互影響的。空間並不是抽象的物理框架,而是由無數個離散的量子構成的;物質也不是超然於空間孤立存在的,而是由一定數量的高能量子組成的能量包,其存在依賴於對量子空間的屏蔽。而且,兩者在一定的條件下,是可以相互作用和相互轉化的。因此,引力源的旋轉,在一定的程度上可以帶動其臨近量子空間的轉動。

如果量子空間完全剛性地隨引力源轉動,則該空間的轉動速度與相對引力源的距離成正比。然而,由離散的量子組成的空間並非是剛性的,隨著距離的增大,其服從引力源轉動的比例會越來越小。於是,兩項相抵,量子空間的等效轉動速度,在一定的範圍內(忽略其他大物質的影響)近似為一個與距離無關的常數。

由於離心力的產生是緣於相對量子空間的加速導致了空間量子的不對稱碰撞,所以引起離心力的速度,是相對於量子空間而言的。於是,真正產生離心力的速度,是天體的表觀速度減去量子空間的等效速度,即VV - V

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當距離引力源較近時,由於離心速度很大,天體的表觀速度遠大於真空背景的等效速度,從而使後者可以忽略不計,屬於符合萬有引力公式的經典情況,即忽略了量子空間轉動的影響;當距離引力源較遠時,由於離心速度迅速變小,使天體的表觀速度近似等於量子空間的等效轉速。於是,天體的表觀速度不再隨距離的增大而變小,顯現為偏離萬有引力公式的非經典情況。

量子空間的非平直分佈,對天體運動的影響是普適的。即便是在太陽系也會受到這一影響,產生偏離萬有引力公式的情況。只是,由於太陽的質量較小,其自轉速度也比較慢(2km/s),所以由其產生的量子空間的等效轉速非常低,從而量子空間的非平直性對太陽系內行星運動的影響是微乎其微的。儘管如此,人類早在19世紀還是發現了在太陽系中偏離萬有引力公式的現象,即著名的水星剩餘進動。

所謂進動,就是行星到太陽最遠距離的連線,每繞行太陽一圈就會向前多轉動一個角度。由於水星距離太陽很近,且其繞太陽運動的偏心率比較大,因而具有顯著的進動。水星每百年大約有5600秒的進動,其中有43秒的進動無法由萬有引力公式予以解釋。因此,這43秒的進動就被稱為剩餘進動。

如果我們定義量子空間的等效轉速與行星繞太陽公轉的速度之比為速度偏差率,則該速度偏差率就等於行星繞太陽一週所產生的剩餘進動率。由此計算出水星的速度偏差率為2.88×10-5。水星繞太陽公轉的速度為48公里/秒,乘以水星的速度偏差率,換算出在水星運動的區域,量子空間的等效轉速是1.38米/秒。

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此外,根據愛因斯坦的質能公式,質量與其所包含的能量成正比,與光速的平方成反比。於是,如果宇宙是膨脹的,那麼在遙遠的過去(比如100億年前),會因為量子空間的密度較大使光速較小,從而那時的質量要比現在大得多。也就是說,今天質量的“缺失”,是昔日質量效應較大的緣故。

對於同一個天體,將過去質量較大時候的離心速度與現在變小的質量相對應,必然會表現出相對於萬有引力公式的偏離,因為兩者並不匹配。這就如同,將幼時的頭像安到老年人的身上,雖然畫的是同一個人,但在畫中看到的卻是一個怪物。更何況,宇宙早期空間效應的增大,還會導致引力常數變大。由此,可以解釋引力透鏡效應過大的現象,因為早年間的質量和引力都要比現在大得多。

於是,就此可以結案了,暗物質被“無罪釋放”。根據量子空間景觀,不需要特設暗物質。

關於暗能量的問題

暗能量的提出是緣於星光的普遍紅移,而且人們相信,該紅移意味著星系之間在相互退行(最近更有說法認為各個星系在相互加速分離)。如果僅考慮物質的因素,那麼所有天體都會因萬有引力而重新聚合,這與上述星系之間相互退行的宇宙景觀相背離。為此,需要假設存在著一種目前尚不為人所知的能量來抗拒萬有引力,這就是暗能量。

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如果宇宙的膨脹與否只取決於萬有引力和暗能量,而且兩者大體上是平衡的,那麼根據計算,在整個宇宙所包含的能量中,暗能量佔70%,物質佔30%。這是站在一維的物質觀得出的推斷。然而,由於真空不空,如果我們站在充滿著離散量子的空間來思考,物質對量子空間的影響只侷限於其附近很小的範圍。就整體而言,物質對空間的影響是可以忽略不計的。

實際上,真空不空,真空中充滿著無規(熱)運動的基態量子就是所謂的暗能量。根據前面估算的量子空間密度和單個量子的能量,在我們的宇宙中每立方厘米所含基態量子的能量約高達1026爾格,其相當於100公斤左右的質量。而物質在宇宙中的密度是非常小的,小到每立方厘米連一個質子都攤不上。

由於離散的基態量子太過細小且物質內部的空間又非常空曠,所以在通常的情況下,我們察覺不出它們的存在,是名副其實的暗能量。如果,我們把視野擴展至擁有無數個宇宙的自然界,就會得出這樣一個結論:一個具體的宇宙,其膨脹與收縮,並不取決於其內部空間能量與內部物質總量的對比,而是取決於其內外部空間能量的比值。

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關於星系普遍紅移的問題

哈勃將星系的普遍紅移歸因為星系的退行,進而得出宇宙膨脹的結論。這只是關於星系普遍紅移的數種解釋之一,而且是一個有疑問的解釋。

首先,就整體而言,宇宙目前並不處於熵減狀態,不再大規模地產生新的能量包(物質)。由此表明,宇宙的膨脹速度已經遠小於宇宙內部的傳播速度(光速)。

其次,由於光子的靜質量非常小,由星系的退行速度所產生的運動紅移會比較小,不足以解釋所觀察到的星系紅移。根據觀測,星系的平均運動速度約為光速的1%,由此產生的紅移不足萬分之一,而實際觀測到的星系平均紅移卻高達0.1。

最後,作為非常態,相對於宇宙的生命週期,宇宙大爆炸的時間應該是非常短暫的。越是暴漲的宇宙,宇宙暴漲的時間就越短,兩者是成反比關係的。在急劇改變狀態之後,宇宙內外部的能量對比發生了根本性的改變。在現階段,宇宙處於相對平穩期,這與百億年來天體結構的穩定以及基本粒子長時間的存在相符合。否則的話,也不可能有機會進化出我們人類。

對此,有學者認為,只有大尺度的天體才能夠感受到宇宙的膨脹,小尺度的天體如星系(銀河系)和恆星系(太陽系),由於受到萬有引力的束縛,得以保持穩定存在,不受宇宙膨脹的影響。然而,根據萬有引力公式計算,地球與太陽、太陽與銀河系、星系與星系、星系團與星系等之間的萬有引力大小是差不多的。質量的增大足以抵消距離的增加。

而且,這些天體之間的空隙非常大,比如距離太陽最近的一些恆星也都在數光年之外。

退一步來說,就算太陽系受到宇宙空間膨脹的力相對於太陽與地球的引力比較小,也應該產生偏離萬有引力的情況。特別是經過40多億年的積累,其偏離現象應該變得非常明顯,甚至早就會破壞兩者的穩定結構了。太陽與銀河系的關係也是如此,而且銀河系穩定存在的時間更長,超過了100億年。

在真空中,真的是空無一物嗎?

真空不空,真空中充滿著離散的基態量子,而光子是受到激發的量子。光子在基態量子海中游泳(穿行)時,必然會產生能量的耗散,將其部分能量以熱的方式歸還給量子空間,這就是光的耗散紅移。光的耗散紅移與光的傳播距離成正比,這就是著名的哈勃定律。

根據廣義相對論的等效原理,引力紅移相當於在加速傳播的過程中產生的耗散紅移。因速度產生的耗散紅移與因加速度產生的耗散紅移,在本質上是相同的。無論是前者的勻速運動還是後者的加速運動,都會引起空間量子的不對稱碰撞,從而將光子的部分能量轉移給了量子空間,都屬於能量變化紅移。只是,它們引起不對稱碰撞的程度及其效率是有所不同的,具有較大的差異。

所以,光線傳播相對於量子空間產生的耗散現象,與廣義相對論預言並得到實驗驗證的引力紅移是“同生共死”的。由此,可以間接地證明,光在勻速傳播過程中也會產生耗散紅移。而且,在各種不同的紅移中,只有耗散紅移可以在其傳播的過程中集腋成裘,經過數十億年的傳播使該紅移量積累到實際觀測的水平,即平均紅移為0.1。

於是,我們只能用耗散紅移來解釋哈勃定律,天體的普遍紅移是關於真空不空的證明。此外,耗散紅移還可以解釋奧伯斯佯謬,即夜空為什麼是黑的。因為,光在其傳播的過程中會損耗能量,使光的頻率移出可見光的範圍,並最終還原為基態量子。

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關於邁克爾遜-莫雷實驗

儘管,任何實驗都是客觀的,就像案件的發生是真實的,但是關於實驗的推論即“嫌疑犯”卻不止一個(人)。比如,對於邁克爾遜-莫雷實驗的零結果可以有多種解釋,否證以太的存在只是其中的數種解釋之一。而且,即便是愛因斯坦,也並不認為該實驗否證了代表空間的以太。他只是認為,根據狹義相對論,以太沒有存在的必要。愛因斯坦用空間幾何填補了因放棄真空不空觀念所留下的空白。關於實驗零結果的其他解釋還有:運動收縮、空氣帶動以及服從光源等。

在當時,之所以放棄真空不空的觀念,主要是無法想象,物體如何在高密度的真空中運動。不過,在以後的幾十年間,通過廣義相對論和量子力學的建立及其相關實驗的驗證,科學家們發現了許多不同於經典力學的規律和現象。

比如,普朗克常數h的被發現,表明在我們的宇宙中存在著不可再分的最小粒子即量子;

比如,光速與能量無關,表明相對於空間勢能的存在;

比如,包括光子在內的所有物體都無一例外地具有波粒二象性,表明存在著影響各種物體行為的物理背景,而且該背景是不連續的;

比如,發現物質的質量集中在很小的原子核中,說明物體的內部是非常空曠的;

比如,引力波的被發現且其以光速傳播,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質上都是相同的;

比如,發現了高度對稱的微波背景輻射,表明了量子空間的存在。

於是,我們有必要回到真空不空的觀念上來,重新考察邁克爾遜-莫雷實驗零結果的其他可能。我們發現光速與光源無關的現象,只發生在遙遠的星空,屬於遠距離的極限情況;而光速與光源相關的邁克爾遜-莫雷實驗,其臂長只有1米,屬於近距離的極限情況。針對上述現象的一個合理推論是,影響光子運動的物理背景,最初是光源內部的空間,然後才是光源外部的空間。光速相對於不同速度的空間,都是不變的。

在真空中,真的是空無一物嗎?

於是,當內部空間和外部空間的速度不同時,光速有一個由服從內部空間到服從外部空間的變換過程。而且,相對於光子進入不同的空間,光速的變換有一個時間的滯後,這就如同一個人進入異國他鄉並不能立刻入鄉隨俗。

類似基本粒子的衰變有半衰期,光速的轉變也會在光子脫離光源時有一個半轉變距離。這個半轉變距離的長短與光子和空間量子的頻率相關。回到邁克爾遜-莫雷實驗,實驗的距離只有1米。在此距離內,光子具有一定的慣性,來不及相對於外部空間以速度

c運動,所以實驗的結果近似為零。如果我們把該實驗的尺度加長數公里,使其遠大於半轉變距離時,就能夠看到干涉條紋的移動。無數遙遠的星光都相對於空間以速度c運動,就是這一解釋的有力證明。在那些運動的天體看來,離開的光線發生了紅移現象,其中除了引力紅移還有運動紅移,光子的部分勢能轉化為動能。因為,相對於這些發光天體而言,其所發出的光,速度增大了。

在真空中,真的是空無一物嗎?

關於空間阻力的問題

為什麼面對如此大的真空密度,我們在低速行走時感受不到任何阻礙,而在高速運動時卻又受到限制,從而無法超越光速呢?這是因為物體在低速運動時,產生不對稱量子碰撞的幾率是微乎其微的。而且,物體的質量大都集中在很小的原子核內,物體的內部是非常空曠的,很多細小且離散的量子可以無障礙地自由穿過。

只有當物體的運動接近於光速時,量子空間效應變大(類似赤腳划水運動),該空間才會變得比鋼板還硬,以至於不同層次的物體在其達到光速之前就解體了,還原為各種激發量子如光子和中微子等。從理論上講,並不是沒有足夠的能量將物體加速至光速(類似突破音障),而是因為作為封閉體系的物體強度不夠,其在被加速至光速之前就已解體,還原為光子了。

至此,我們看到,賦予真空具體的物理意義,即真空是由無數個細小的離散量子構成的,可以將各種不同的物理現象統一起來,使我們獲得一個有機的量子宇宙景觀:

宇宙是由兩大類物體構成的,第一類物體的靜質量極小,具有類光性,屬於能量的範疇;第二類物體的靜質量極大,具有類物性,屬於物質的範疇。

根據人類認識的基本原則——凡是具體的都是有限的,無論是哪一類物體,它們的靜質量都是有限的,介於零與無窮大之間。此外,因為宇宙最基本的特性就是運動,而運動必須要有確定的載體。任何質量為零或無窮大的物體,其運動都是不可想象的,因而也是不存在的。

在真空中,真的是空無一物嗎?

第一類物體是離散的量子。離散的量子可以進一步地細分為無規運動的基態量子和有向運動的激發量子。前者是熱運動,佔絕對的多數,構成了宇宙的物理背景;後者是有向運動,隨著能量的提高,可以被依次細分為引力波、電磁波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ 射線和中微子等。這類物體的靜質量極小,除了說明其本身所固有的能量很小之外,還意味著動能在其外在能量中所佔有的比例極小,以至於它們外在能量的變化都是以相對於量子空間的勢能為主,從而表現為速度不變。

所謂速度不變有兩個含義:其一是在不同速度的真空背景(量子空間)中的傳播速度是一樣的;其二是擁有不同能量的物體,它們的運動速度是一樣的。需要說明的是,量子空間並不是始終平直的,會受物質的影響而產生不同的分佈;不同能量的速度也並不是絕對相等的,其速度會隨著能量的增大而提高,只是增加的速度相對原有的速度是微不足道的。


在真空中,真的是空無一物嗎?

因此,第二類物體具有可分解、可變速和可藉助量子空間進行相互作用等特點。作為第二類物體,由激發量子組成的能量包還可以進一步地劃分為兩類,它們是由激發量子直接組成的能量包和由激發量子間接組成的能量包。前者是各種基本粒子及共振態,後者則根據封閉層次的增加,依次細分為原子、分子、大分子、行星、恆星、星系和星系團等。

由激發量子直接組成的能量包,是由數個激發量子受困於彼此形成的。在一定的條件下,這些激發量子一方面受離散量子的影響不能無限地接近,另一方面又由於運動被量子空間屏蔽不能相互遠離。由此組合為能量包,表現出數個激發量子的整體性。

處於勢阱中的量子,其允許存在的能量狀態是量子化的,是由基態和一系列不連續的激發態構成的。能量越高的激發態越不穩定,會在更短的時間內釋放能量躍遷回基態,或藉助於隧道效應以較大的概率逃逸出來,產生粒子的衰變。

比如,三個激發量子組合的基態封閉體系為電子,其激發態為各種輕粒子;四個激發量子組合的基態封閉體系為派介子,其激發態為各種介子;五個激發量子組合的基態封閉體系為質子,其激發態為各種重粒子及共振態。反粒子也屬於粒子的激發態,只不過該激發態與基態封閉體系的能量差較小(僅僅是自旋方向相反),需要較長的時間才會釋放能量衰變回基態粒子。由此,可以解釋為什麼不存在大規模的反物質。

關於宇宙真空不空的探索過程到此就結束了。離散的量子是否能名至實歸地填充到真空中,擔當起真空不空的大任,取決於在這一物理背景下,能否更好地理解我們的有機世界。


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