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真空中有什么?最后一种或能终结宇宙!

真空中有什么?最后一种或能终结宇宙!

很多时候,真空被认为是什么东西都没有,没有空气,没有水,没有一切事物。但事实上,真空并非完全虚空,其中还可能存在十分危险的东西。

在宇宙中,只有太空才是最为接近真空的状态。虽然太空看起来空荡荡的,但其中充满了光子,最古老的光子可以追溯到138亿年前早期宇宙发出的第一缕光,它们出现在宇宙形成38万年后,如今被称为宇宙微波背景辐射。

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在宇宙诞生仅2秒之时,大量的中微子被释放出来。光子在极早期宇宙中无法自由传播,因为那时宇宙中都是带电粒子,光子会与之耦合。但中微子的穿透性很强,它们很难与其他粒子发生相互作用,可以在宇宙中自由传播。

直到现在,当年的中微子还在空间中传播,据估计,每立方厘米的空间中存在大约300个中微子,这就是宇宙中微子背景辐射。不过,这种基本粒子很难被捕捉到。

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在上个世纪末,天文学家发现宇宙的膨胀速度正在逐渐加快。理论上,在引力的作用下,自宇宙大爆炸以来,空间的膨胀速度应该会逐渐减速。但在大约50亿年前,空间却异常地开始加速膨胀。

对于这种反常现象,天文学家提出了暗能量的猜测,认为空间中充满着一种固有能量,也就是暗能量。这种能量可以产生负压效应,在宇宙大尺度下,它们能够超越引力作用,推动宇宙加速膨胀。

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根据量子力学,真空中还存在着量子涨落,或者说狄拉克之海。狄拉克预言,真空中会随机出现大量成对的虚粒子,例如,电子和正电子,它们很快就会互相碰撞,湮灭而消失。虚粒子是从真空中借走了能量,它们湮灭之后又会把能量还给真空。

那么,如何验证真空涨落现象呢?

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试想一下,把两块相互靠近的平行中性金属板置于真空中,金属板之间的空间远小于外部空间。如果真空中真的会出现量子涨落,金属板之间的量子涨落就会少于外部,量子场的激发也较少,从而使金属板受到一种由外部空间产生的挤压力,这就是著名的卡西米尔效应。

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目前,物理学家已经探测到了卡西米尔效应,由此证明了量子真空涨落的存在。根据测算,如果金属板之间的间隔只有10纳米,结果将会产生相当于1个地表大气压的压力,卡西米尔效应将会变得很显著。

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结合黑洞和量子涨落现象,霍金还提出了黑洞蒸发理论。他认为,如果量子涨落出现在黑洞边缘,负能粒子被黑洞吸收,而正能粒子会带走黑洞质量,逃离黑洞,虚粒子对就不会发生湮灭。从远处观测,黑洞正在向外发出辐射,质量变得越来越小,这就是霍金辐射。不过,这种效应非常微弱,目前还没有被观测到。

真空衰变

物理学家推测,我们所知的真空可能并不是最低能量状态的真空,而是一直处于亚稳定状态的伪真空。在过去上百亿年来,这种伪真空一直很稳定,四大基本力可以生效,物理规律支配着宇宙。

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但在伪真空能量状态之下,可能还有处于基态的真真空,这意味着伪真空有可能会向真真空衰变,因为能量总是趋于最为稳定的基态。不过,在伪真空和真真空之间还存在着一个能量山峰,伪真空无法直接越过,除非给予极高的能量,或者发生量子隧穿效应。

如果伪真空真的发生衰变,那么,它将会以极快的速度扩展到整个宇宙中。到了那时,宇宙中的所有基本粒子和物理学定律都将不复存在,整个宇宙也会宣告终结。

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