万物生于虚无?宇宙中的物质真能凭空产生吗?

2022年8月31日 by 没有评论

在大多数人的认知中,真空中空无一物,空间中没有任何粒子,完全是虚空。实际上,真空并不空,并不存在绝对真空。

量子场论认为,真空中其实蕴含着巨大的本底能量。根据美国物理学家惠勒的估计,真空的本底能量密度可能高达10∧13 J/cm3。这股能量也被称作真空零点能,即使在绝对零度条件下也存在。

真空中的这股能量会以粒子的形态表现出来。科学家认为,真空中会凭空出现大量的虚粒子对,它们一正一反,然后又在极短的时间内湮灭消失,。它们时隐时现,几乎在任何时空角落都存在这种现象,这种现象被称为真空量子涨落。

真空中存在量子涨落,这一结论可以从德国物理学家海森堡于1927年提出的不确定性原理推导出来。而不确定性原理是量子力学中的核心观点之一,即我们不可能同时知道一个粒子的位置和速度。

1948年,荷兰理论物理学家卡西米尔就对此作出了预言,认为如果真空中确实存在能量涨落,那么就必然存在一种现在被叫作卡西米尔效应的现象。只是当时还没有条件完成这样高精度的实验。

时间到了1996年,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家首次利用实验验证了这一想法。

科学家在真空中平行放置了两块电中性金属板,并让这两块板子靠得非常近。由于金属板的存在,量子涨落受到干扰,那么在这两块平行金属板之间的虚粒子对的数目就要比板子外面少,此时两块金属板的内外就形成了能量差,这两块板子就会在真空中受到一种使它们彼此相互靠近的力——卡西米尔力。

1996年的那次实验成功测得了这种力。实验数据表明,在10纳米间隙上(大概是一个氢原子尺度的100倍),卡西米尔效应大约能产生1个标准大气压的压力。

例如,对于发生在黑洞事件视界边界处的量子涨落,若一对虚粒子中的其中一个粒子掉进了黑洞,另一个粒子由于失去了与之发生湮灭的对象,那么此时它就会转化为实粒子。在我们看来,黑洞似乎向外辐射出了粒子,这就是霍金辐射。

真空中能够此起彼伏的生成虚粒子,并且在一定条件下还能够实物化,这样看起来确实是无中生有,宇宙中的物质确实能够凭空产生。

只是,在我们看来空无一物的真空并不空,充满了能量涨落,就是一片能量海。也就是说,看似物质凭空产生,实际上是因为真空中本来就存在一股本底能量。

对于这无处不在的真空能量,未来如果能够加以利用,它将是星际航行过程中真正取之不尽、用之不竭的能源,比核能、反物质能还好。

宇宙中的物质不管是以粒子形态存在,还是以场态存在,总是存在质量或者能量,且质量和能量守恒,既不可能凭空消失,也不可能凭空产生。而爱因斯坦用简洁的质能方程告诉我们,质量和能量其实是一回事,并不是很多人理解的质量和能量可以相互转化。物体的质量就是它所含能量的量度;物体蕴含的能量增加了,它的质量也会增加。

很多人认为,在正反物质湮灭过程中,物体的质量百分百转化成了能量。这里所谓的质量化能量,实际上是实物粒子转化成了光辐射,物质换了一种存在形式。而且,现在科学家也已经在实验室中实现了光到实物粒子的形式转变,只需将两束高能激光相互作用后就能生成正反电子对,

光本质上是电磁波,由于波粒二象性的存在,既可以将它看作粒子,也可以看作光波。光子由于没有静质量,因此可以认为它是一种纯能量形态的物质。

总之,物质不灭,根本不可能无中生有,有能量存在就意味着有物质存在,不是什么能量变物质,只是存在的形式不同罢了。真空不空意味着,看似空空荡荡的宇宙,实际上充满了各种形态的物质,比如,暗物质和暗能量。虽然我们看不见、摸不着,但那也只是有别于普通物质形态的其它存在形式。

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