宇宙探索：宇宙中存在完全的真空嗎？


圖片來源：Pixabay
在天文學家眼中，空曠、黑暗的宇宙深處充滿著迷人的景致。詩人賴納·馬里亞·里爾克（Rainer Maria Rilke）在一首詩中也表達了相同的感受。雖然從未親身前往宇宙，但里爾克在一個世紀前寫道：“夜，雖顫栗于我的凝視之中，卻亙古不變。這無垠的造物??！其恒久令地球望塵莫及。”
里爾克的詩能用現(xiàn)代科學闡釋嗎？實際上，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)，一個太空旅行者能發(fā)現(xiàn)至少一個質(zhì)子，一個電子，以及數(shù)億個光子和中微子，它們都是大爆炸的遺留物。不過，一些人還會天真地設(shè)想這些粒子之間是空的，就像古代希臘的原子論者認為“真空”正如字面意義上一樣空無一物。
但事實并非如此。我們現(xiàn)在知道，宇宙的總質(zhì)量中有大部分（約2/3）屬于遍布整個空間的“暗能量”。它會對物質(zhì)產(chǎn)生一個排斥性的推力，加速宇宙膨脹。最新的測量顯示，暗能量的性質(zhì)很像愛因斯坦在一個世紀前引入引力場方程的宇宙學常數(shù)，相當于真空本身的能量。當時，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的兩端，根本沒有時間相互聯(lián)系。目前，對宇宙膨脹的標準解釋是，在宇宙誕生初期的一段時間內(nèi)，真空導致宇宙加速膨脹了一定的時間，這使得宇宙中原本緊密接觸、存在聯(lián)系的區(qū)域彼此遠離，直至最終分處天空的兩端。如果確實如此，真空或許從始至終一直主導著宇宙的膨脹。
若我們想進一步尋找真空，可以假想一個位于我們觀測的宇宙范圍之外的空間。在那里不存在宇宙學常數(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，這樣的空間依然會存在真空漲落，也就是說虛粒子會短暫地出現(xiàn)和消失。這種短暫漲落的存在已通過實驗中的多種效應(yīng)得到了證實。舉例來說，當兩片金屬板平行放置時，它們會限制夾層空間中虛擬電磁波動的波長，在彼此之間形成一個作用力，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讓電子的兩個能級的能量不同，導致能級間產(chǎn)生蘭姆位移（Lamb shift）。此外，真空中的一個強力電場可以加速從真空中產(chǎn)生的虛電子和虛正電子，因此它們能變成實際存在的粒子。而當電子-正電子對形成時，會導致電場的衰減，這就是施溫格效應(yīng)（Schwinger effect）。同樣的，黑洞事件視界處的強引力會從真空中產(chǎn)生熱輻射，使得這個純粹的時空結(jié)構(gòu)產(chǎn)生霍金蒸發(fā)。


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事實上，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，一個加速運動的觀察者具有倫德勒視界，能夠探測到慣性運動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，一個指數(shù)加速膨脹的宇宙的視界會產(chǎn)生一個德西特溫度。宇宙加速膨脹時產(chǎn)生的真空漲落，可能埋下了當今星系和星系團結(jié)構(gòu)的種子。倘若確實如此，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？要解答這個問題，我們需要一個結(jié)合了量子力學和引力，而且能夠給出可驗證預(yù)測的量子引力理論，但我們目前還沒有這樣的理論。
根據(jù)施溫格效應(yīng)，真空中一個劇烈的激蕩可能會催生一個嬰兒宇宙。而這能否發(fā)生，取決于各種微妙的細節(jié)。我最近也在研究從坍塌到黑洞的時間反演過程，與我合作的是哈佛大學黑洞項目的博士后保羅·凱斯萊（Paul Chesler）。
人造宇宙理論會讓我們對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驗室，那么很容易設(shè)想無數(shù)個嬰兒宇宙會相繼誕生，而它們是由那些科技發(fā)達到足以創(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)生在實驗室里的一個事件。
撰文：亞伯拉罕·洛布（Abraham Loeb）
翻譯：趙劍琳
引進來源：環(huán)球科學


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