宇宙的量子秘密：为什么绝对空只是一种幻觉？

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宇宙是一个物质和能量生命全面展开的空间。即使在那些看似空虚的太空角落，每立方米也有一个氢原子。更不用说数百个粒子和电磁辐射流正迅速冲出恒星、星系并坠入黑洞。然而，在太空中仍然存在大爆炸时留下的辐射。有可能在太空中找到一个绝对空无一物的地方吗？这不仅仅是一个哲学问题。

空的空间或真空是非常有用和重要的。例如，在家里，真空吸尘器通过使用风扇产生真空来发挥作用，从而将物质吸入设备中。然而，即使在这样一个“空”的空间里，许多粒子仍然存在。对于更复杂的任务，制造商使用专门的真空吸尘器。因此，真空包装的产品保鲜时间更长，灯泡中的真空可以保护钨丝免于过早磨损。在能够吸出最大数量的原子和粒子的强大泵的帮助下，可以创造这样的真空。

即使是领先的工业技术也无法创造出理想的空隙，在每立方厘米的空间中留下数亿个原子。这不能满足科学家们从事大型强子对撞机这样大型实验的需求。在他的实验中，粒子束以接近光速的速度移动一次长达十个小时，并且它们不应该受到任何“额外”原子碰撞的干扰。

那么真空是如何产生的呢？对撞机的管道由不锈钢等材料制成，不会将分子释放到太空中，并且还具有吸收气体的特殊涂层。加热到 200 摄氏度有助于去除水分，数百个真空泵在两周内将气体和其他颗粒从管道中抽出，为对撞机的高度敏感实验提供了条件。但即使有这种程度的精度和细心，仍然不可能在大型强子对撞机中创造出完美的真空。

在宇宙最空旷的角落里，每立方厘米大约有 100,000 个粒子。让我们想象一下，我们设法移除了某个空间中的每个原子。但即使在这种情况下，我们周围仍将残留大量辐射。例如，每秒有 50 个来自宇宙射线的 μ 子穿过我们每个人，在大爆炸期间“诞生”了 1000 万个中微子，从宇宙微波背景辐射出 3000 万个光子，还有一个天文数字——300 万亿个中微子直接到达来自太阳。为了保护真空室，可以用可以吸收和反射辐射（但不能吸收中微子）的物质（例如水）照射它们。假设我们设法将空间与原子和辐射隔离——那么它会变得完全空虚吗？

事实上，完全的空性并不存在。整个宇宙都充满了量子场。我们习惯认为的亚原子粒子（电子、光子等）实际上只是包裹整个宇宙的量子“结构”中的振动。由于海森堡原理的定律，即使太空中没有粒子，这些场也会永远振荡，从而产生所谓的真空振荡。这意味着量子场具有能量，而且是令人印象深刻的能量。

根据爱因斯坦方程，质量和能量是同一枚硬币的两面，因此每立方米的空间携带的能量相当于四个质子的质量。因此，即使是真空中的“空”也有一定的重量。量子涨落从宇宙诞生之初就伴随着宇宙，在大爆炸后的最初时刻加剧和扩张。

根据宇宙学家的说法，原始量子涨落是我们今天可以观察到的一切事物的根源，从星系到行星和太阳系。这些波动也是我们这个时代最大的科学谜团之一的关键。根据一些理论，太空真空中量子振动的能量应该比我们今天检测到的高 120 个数量级。解决缺失能量之谜可以从根本上改变我们对物理学和宇宙本身本质的看法。

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