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4分钟搞懂:真的存在空无一物的真空吗? | 周末之选

楼主:把科学带回家 时间:2018-12-06 17:04:22

本文由公众号 “把科学带回家” 提供
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真空是真的什么都没有的空间吗?


那么空间本身算什么?


真的存在空无一“物”的真空吗?


先看看制造真空的方法。



首先就是吸尘器。这大概是每家每户必备的家用电器之一了。吸尘器的原理许多人都懂,就是用风扇制造一个低压区, 然后这个低压区就会把附近的空气和灰尘吸进来。



家用吸尘器的功率和效果不能和工业级的相比。可是即使是工业级的真空机也会在每立方厘米的空间里留下数亿原子。



对于拿粒子做对撞实验的物理学家来说,这样的“真空”太拥挤了,不能制造出完美的实验条件。那么,物理学家们怎样制造更完美的真空呢?



以大型强子对撞机(LHC)为例,在里面运行的粒子在十几小时里都不会撞到任何莫名其妙的原子。他们的制造工艺主要是用不会释放分子的不锈钢做管道,用特殊涂层吸收乱跑的气体,把管道内温度加热到200摄氏度排空水蒸气,然后再用几百个真空泵花2周时间抽空管道内的物质。



不过,即使是大型强子对撞机这样当代最强的实验仪器也无法制造出理想中的真空,在里面平均每立方厘米的空间里依然有大约10万个粒子,远远达不到太空的“真空”水平。在太空里,每立方米宇宙里仅存在1个氢原子,



当然了,即使是这样太空也不能算真空。假设我们能去掉一个空间里的所有原子和分子,那么它就算完美的真空了吗?


并…不…是…


首先我们还有辐射。宇宙里辐射四处横行。



我们了解宇宙大爆炸的一个线索就是至今还在宇宙中回响着的大爆炸的辐射。



来自宇宙的辐射能穿透墙壁和你的身体。以你的身体为例,每秒有大约50个μ子和1千万个来自大爆炸的中微子、3千万个来自宇宙微波背景辐射的光子,以及300兆来自太阳的中微子穿过你的身体。



隔绝这些辐射也有办法。比如,用一些材料,比如水就可以挡掉除中微子以外的辐射。


可是,如果把所有的原子、分子,还有辐射统统去掉,就能得到完美的真空了吗?


依旧不行...


这是因为,空间本身自带了一种场,叫做量子场(quantum field)



由于海森堡不确定性原理的存在,即使不存在任何粒子,量子场永远也不会停止振动,这就叫做量子涨落(vacuum fluctuation)。而这种振动意味着巨大的能量的存在。


换句话说,没有任何粒子的空间本身就包含着能量。能量意味着什么?爱因斯坦质能方程告诉我们,能量等同于质量。



同时,量子涨落也和宇宙大爆炸有关。


想知道它们之间到底有什么联系么,欧洲核子研究中心(CERN)的科学家 Rolf Landua 和 Anais Rassat 在这期4分钟的 TED ed 节目里为你解惑。




中文字幕。


如何观看:在 把科学带回家 后台回复 真空,获得视频地址。






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