“虚无”一词,似乎暗示着虚空便是虚空,什么都没有。然而,现实却恰恰相反,虚空远比我们的世界更为活跃和喧嚣。
人类对于虚空的理解和利用,历史远比我们想象得要早得多。例如,水泵就是一种利用虚空原理的设备。
水泵所能产生的吸力,其极限大约是相当于10米高的水柱重量,超过这个界限就无法再拉动了。这并不是因为水泵的设计有缺陷,而是一种必然的结果。
因为水泵实际上是通过利用大气压力来实现工作的,而大气压力本身是恒定的。当然,现代科技中也有利用其他力量来克服这一限制的情况,但那又是另一个话题了。
1641年,托里拆利进行了一项著名的实验,揭示了虚空的存在。实验很简单:将一根装满水银的1米长玻璃管倒置在一盆水银中,结果发现玻璃管内的水银下降到76厘米处,顶端留下了24厘米的虚空。当然,我们现在知道,这是大气压力作用的结果。
那么,这24厘米的虚空中,到底有没有物质存在呢?真的是空无一物吗?
显然,不能说是绝对的虚空,因为其中还是有某些物质的。例如,我们无法将气体完全排尽,还有各种各样的辐射也存在于其中。
然而,许多物理学家认为,我们之所以不能创造出绝对的虚空,只是因为我们的技术手段还不够先进。他们推断,只要技术足够发达,能够制造出足够精密的设备,那么绝对的虚空是可以实现的。
于是,我们有了两种不同类型的虚空:技术上的虚空和理论上的虚空。简而言之,技术上的虚空就是通过抽离气体而得到的空间,例如托里拆利实验中玻璃管顶端的24厘米高的虚空。而理论虚空,则是指一个完全不存在任何物质粒子的理想状态,它可以被视为技术虚空的极限。
很多物理学家对于理论虚空的存在都抱有质疑态度,认为它是不现实的。例如爱因斯坦,他在研究引力现象时意识到,一个空无一物的绝对虚空是不可能的。他甚至将理论虚空描述为引力场的一种特殊状态。
而赋予理论虚空真正意义的是著名物理学家狄拉克。
狄拉克在1928年将量子力学和狭义相对论结合起来,建立了描述电子运动的狄拉克方程。这个方程非常精确,与实验数据完全吻合。
方程的解非常特别,既包括正能态,也包括负能态。基于此,狄拉克预言了正电子的存在,他认为正电子是电子的一种镜像,除了带正电外,其他性质都与电子相同。
当时,许多物理学家对正电子的概念表示了质疑,因为这听起来过于不可思议。更重要的是,在实验室中没有找到正电子存在的证据。甚至连狄拉克自己也对这一预言持怀疑态度。
然而,不久之后,狄拉克的预言就被证实了。美国物理学家安德森在研究宇宙射线在磁场中的偏转时,意外地发现了一个与电子行为完全相同,但偏转方向相反的粒子。这个粒子正是狄拉克所预言的正电子。
那么,正电子与虚空又有什么联系呢?
通常情况下,物体的能量都是正的,受到力的作用会朝力的方向移动。但正电子的行为完全相反,你给它施加力,它反而会朝反方向移动,这让人觉得不可思议。
狄拉克提出,在没有粒子存在的理论虚空中,充满了无数的正电子,就像一个正电子的海洋。正电子会吸收能量,转变成负电子,从而在正电子的海洋中留下一个“空缺”。
当然,理论虚空也可以由各种粒子和反粒子组成。
狄拉克的理论赋予了理论虚空新的含义:虚空并非空无一物。在理论虚空中,正反粒子对会不断地产生和湮灭,然后再次重复这一过程,而这些瞬间产生又瞬间湮灭的粒子,就被称为“虚粒子”。
实际上,这就是量子涨落的过程。科学家们在半个多世纪前就已证实了量子涨落产生虚粒子的证据,其中著名的“卡西米尔效应”就是最佳证明。
在虚空中放置两块非常薄的不带电金属片,让它们逐渐靠近,当距离足够短时,两块金属片间会产生吸力,仿佛有外力在推动它们。
虚空中会不断涨落出虚粒子对,而靠得很近的金属片会将波长更短的虚粒子对挤出,使得金属片内侧的虚粒子对密度低于外侧,由此产生了压力差,使金属片相互靠拢。
上世纪末,物理学界对卡西米尔效应进行了精确测量,结果与理论预测完全吻合。不过卡西米尔效应仅在微观尺度上显现出来,例如在10纳米的间隙中,卡西米尔效应可以产生一个大气压的压力,十分可观。在太空中,这样的现象并不罕见,科学家们甚至设想未来的星际旅行可以利用卡西米尔效应作为动力来源。
总结来说,所谓的虚空并非空洞无物,相反,它非常活跃,甚至比我们的现实世界还要热闹。在虚空中,虚粒子对不断衍生,瞬间出现又瞬间消失,如同一片生机勃勃的海洋!