太空的真空真的是空的吗？

By Paul Sutter

2023/11/15

   Science & Astronomy

    甚至远离地球，有很多东西在太空中漂浮着。

(Image credit: Aaron Horowitz via Getty Images)

    想象走出去到宇宙中最深、最空的地方取得一个完美的、完全的真空。你会被空无包围吗？这个问题的答案比你想象远更微妙。

    现代进入真空之旅始于 17 世纪，由神圣罗马帝国马格德堡镇市长奥托·冯·格里克 （Otto von Guericke） 设计了一个华丽的实验。作为来显示他的城市在30年战争的蹂躏之后已经反弹的政治特技的部分，冯·格里克为皇帝和其他名人呈现一个来炫耀他的新发明的真空泵的演示。通过将两个半球放在一起并抽出所有的空气，奥托显示了甚至一队马不能够将半球拉开。

    与亚里士多德的“自然憎恶一个真空”的论点后千年的思想相反，冯·格里克表明了真空是可能的。

    在冯·格里克演示之后的几十年里，哲学家和科学家好奇了是否太空的浩瀚被充满有某种被称为以太的物质，这种物质会服务两个目的：一个是，它仍然防止一个真正的真空形成，第二个是，它将起光波来传播的一种介质的作用。

    然而，在 1800 年代后期，克利夫兰的两位物理学家阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫利设计了一个巧妙的实验来测量随地球穿过以太光速中的变化。没有检测到任何变化------很快，爱因斯坦将证明光速总是恒定的------因此科学家们最终从以太的概念走开，允许一个真正的真空的可能性。

    尽管如此，甚至远离地球有很多东西漂浮着：带电粒子到处飞驰，徘徊的氢原子、一些毛绒绒的点点和尘埃思维着它们自己的事业。即便星际空间的密度甚至比我们的最空的人造真空室更低数十亿倍，但它不是100%空的。

    要到达宇宙中最空的地方，你不得不旅行到宇宙的空无，主宰宇宙的体积的广袤什么都没有的区域。在最大的空无深处，你能站在离最近的星系数亿光年远的地方。空无的核是如此空的以至于甚至暗物质------构成每个星系大部分的神秘的、看不见的物质形式------甚至没有一个存在。

    但然而，空间将不会真的是空的。弥漫整个宇宙的是叫中微子的轻量中性粒子以及从宇宙的早期日子遗留下来的辐射。这种辐射被称为宇宙微波背景（CMB），对宇宙中所有辐射的99.99%以上是负责的，而且来逃脱是不可能的。因此，甚至在最黑暗的空无中，你不是完全的孤独的。

显示宇宙微波背景（CMB）的天空映射，早期宇宙当这种丢失的暗物质可能存在时的一个残余物。 (Image credit: © ESA and the Planck Collaboration)

    因此，让我们说你要建造一个足够厚封锁掉中微子和宇宙微波背景的巨型盒子，留下你一个人呆在里面。（从技术上讲，这个盒子的壁会发射它们自己的光子，但让我们为这个思想实验把它放在一边）。然后你会是孤独的吗？

    量子物理学提供一个令人惊讶的答案：不。物理学家已经发现量子场吸收了所有的空间和时间，这些量子场诞生日常生活的粒子。但当让它们孤独一些时量子场有一种叫真空能的内在能量。这种能量在整个宇宙中无处不在。即便你周围没有任何粒子，你仍然有这种能量是你唯一的伴侣。

    因此如果你捏造了一种来抵消真空能量的装置（这在技术上是不可能的但让我们继续保持这个思想实验进行）呢？你最终真的在宇宙中是孤独的被一个包罗万象的空无的完美理想包围吗？

    答案是那是......它靠的。你仍然是空间中的一个物体，有些人认为空间本身已经存在。我们喜欢把空间想作为只是一种数学抽象，一种我们来测量位置和程度的方式。但随17世纪天才勒内·笛卡尔（René Descartes）的工作，空间的概念开始来披上一个更具体的特征，他发明了一种来描述空间的数学基础。如果你曾经写下过笛卡尔网格的 x 轴和 y 轴，你要为它感谢笛卡尔。

    艾萨克·牛顿将空间的概念提升到为物体的运动和规制它们的行为的物理法则的绝对背景服务。简而言之这是现代物理学：物体在空间背景上移动并相互作用，空间背景被假定来存在。

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    爱因斯坦用广义相对论让这更进一步，在广义相对论中，空间被从一个背景舞台提升为主角------一个响应物质存在并指导物质的运动的动态的、灵活的实体。正是空间本身，尤其是它的动力学诞生引力的力。

    因此空间只是一个数学抽象、一个我们用来描述物理对象之间关系的工具还是某些更多的东西呢？这里是一个有趣的想法：关于引力波呢？引力波不需要物质或能量的存在来移动，它们只是作为空时本身的起伏存在。因此，如果空间只是一个数学工具，那么波怎么能靠它们自己存在呢？

    对是否真正的空无存在这个问题没有肯定的答案。空间的概念可能只是一个数学技巧它本身并不存在。或者无论你走到哪里你总是在太空的某个地方，因此你总被某种东西包围着。