宇宙探索：宇宙中存在完全的真空嗎？


圖片來源：Pixabay
在天文學(xué)家眼中，空曠、黑暗的宇宙深處充滿著迷人的景致。詩(shī)人賴納·馬里亞·里爾克（Rainer Maria Rilke）在一首詩(shī)中也表達(dá)了相同的感受。雖然從未親身前往宇宙，但里爾克在一個(gè)世紀(jì)前寫道：“夜，雖顫栗于我的凝視之中，卻亙古不變。這無垠的造物?。∑浜憔昧畹厍蛲麎m莫及。”
里爾克的詩(shī)能用現(xiàn)代科學(xué)闡釋嗎？實(shí)際上，太空并不空曠，也不黑暗。即使在星系之外，平均每立方米的空間內(nèi)，一個(gè)太空旅行者能發(fā)現(xiàn)至少一個(gè)質(zhì)子，一個(gè)電子，以及數(shù)億個(gè)光子和中微子，它們都是大爆炸的遺留物。不過，一些人還會(huì)天真地設(shè)想這些粒子之間是空的，就像古代希臘的原子論者認(rèn)為“真空”正如字面意義上一樣空無一物。
但事實(shí)并非如此。我們現(xiàn)在知道，宇宙的總質(zhì)量中有大部分（約2/3）屬于遍布整個(gè)空間的“暗能量”。它會(huì)對(duì)物質(zhì)產(chǎn)生一個(gè)排斥性的推力，加速宇宙膨脹。最新的測(cè)量顯示，暗能量的性質(zhì)很像愛因斯坦在一個(gè)世紀(jì)前引入引力場(chǎng)方程的宇宙學(xué)常數(shù)，相當(dāng)于真空本身的能量。當(dāng)時(shí)，愛因斯坦在考慮如何讓宇宙保持靜態(tài)，因此添加了宇宙學(xué)常數(shù)，讓物質(zhì)之間的引力與真空的斥力維持平衡。


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而現(xiàn)實(shí)中我們的宇宙不僅在膨脹，而且這種膨脹極其均勻，不同地方相差不超過十萬分之一，即便它們分別位于我們宇宙視界相對(duì)的兩端，根本沒有時(shí)間相互聯(lián)系。目前，對(duì)宇宙膨脹的標(biāo)準(zhǔn)解釋是，在宇宙誕生初期的一段時(shí)間內(nèi)，真空導(dǎo)致宇宙加速膨脹了一定的時(shí)間，這使得宇宙中原本緊密接觸、存在聯(lián)系的區(qū)域彼此遠(yuǎn)離，直至最終分處天空的兩端。如果確實(shí)如此，真空或許從始至終一直主導(dǎo)著宇宙的膨脹。
若我們想進(jìn)一步尋找真空，可以假想一個(gè)位于我們觀測(cè)的宇宙范圍之外的空間。在那里不存在宇宙學(xué)常數(shù)，而且沒有任何物質(zhì)，那它是空的么？答案依然是否定的。
根據(jù)量子力學(xué)，這樣的空間依然會(huì)存在真空漲落，也就是說虛粒子會(huì)短暫地出現(xiàn)和消失。這種短暫漲落的存在已通過實(shí)驗(yàn)中的多種效應(yīng)得到了證實(shí)。舉例來說，當(dāng)兩片金屬板平行放置時(shí)，它們會(huì)限制夾層空間中虛擬電磁波動(dòng)的波長(zhǎng)，在彼此之間形成一個(gè)作用力，也就是卡西米爾效應(yīng)（Casimir effect）。
類似地，真空漲落與氫原子中電子的相互作用會(huì)讓電子的兩個(gè)能級(jí)的能量不同，導(dǎo)致能級(jí)間產(chǎn)生蘭姆位移（Lamb shift）。此外，真空中的一個(gè)強(qiáng)力電場(chǎng)可以加速?gòu)恼婵罩挟a(chǎn)生的虛電子和虛正電子，因此它們能變成實(shí)際存在的粒子。而當(dāng)電子-正電子對(duì)形成時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)的衰減，這就是施溫格效應(yīng)（Schwinger effect）。同樣的，黑洞事件視界處的強(qiáng)引力會(huì)從真空中產(chǎn)生熱輻射，使得這個(gè)純粹的時(shí)空結(jié)構(gòu)產(chǎn)生霍金蒸發(fā)。


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事實(shí)上，真空中生成的熱輻射也存在于所有具有因果視界的系統(tǒng)中。舉例來說，一個(gè)加速運(yùn)動(dòng)的觀察者具有倫德勒視界，能夠探測(cè)到慣性運(yùn)動(dòng)的觀察者無法看到的黑體輻射，這被稱為安魯效應(yīng)（Unruh effect）。與之類似，一個(gè)指數(shù)加速膨脹的宇宙的視界會(huì)產(chǎn)生一個(gè)德西特溫度。宇宙加速膨脹時(shí)產(chǎn)生的真空漲落，可能埋下了當(dāng)今星系和星系團(tuán)結(jié)構(gòu)的種子。倘若確實(shí)如此，我們的存在就得歸功于宇宙初期真空中的量子漲落，也就是說，真空孕育了生命。
但是，我們還可以探討一些更加基本的問題。既然原子論者是錯(cuò)的，并不存在完全的“真空”，那么在大爆炸之前有什么？我們的宇宙誕生于真空漲落嗎？要解答這個(gè)問題，我們需要一個(gè)結(jié)合了量子力學(xué)和引力，而且能夠給出可驗(yàn)證預(yù)測(cè)的量子引力理論，但我們目前還沒有這樣的理論。
根據(jù)施溫格效應(yīng)，真空中一個(gè)劇烈的激蕩可能會(huì)催生一個(gè)嬰兒宇宙。而這能否發(fā)生，取決于各種微妙的細(xì)節(jié)。我最近也在研究從坍塌到黑洞的時(shí)間反演過程，與我合作的是哈佛大學(xué)黑洞項(xiàng)目的博士后保羅·凱斯萊（Paul Chesler）。
人造宇宙理論會(huì)讓我們對(duì)目前自己所在宇宙的誕生產(chǎn)生某些有趣的遐想。如果我們的宇宙誕生于其他文明的實(shí)驗(yàn)室，那么很容易設(shè)想無數(shù)個(gè)嬰兒宇宙會(huì)相繼誕生，而它們是由那些科技發(fā)達(dá)到足以創(chuàng)造新宇宙的文明創(chuàng)造的。在這種情況下，我們宇宙的大爆炸不過是發(fā)生在實(shí)驗(yàn)室里的一個(gè)事件。
撰文：亞伯拉罕·洛布（Abraham Loeb）
翻譯：趙劍琳
引進(jìn)來源：環(huán)球科學(xué)


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