真空是什么都没有吗?不,真空其实很热闹

关于“真空”的实验

关于“真空”的知识,在中学课本中常常和压强连起到一起去讲。而且有一个关于“真空”的实验。这个实验就是大名鼎鼎的马德堡半球实验。说的是在1654年,科学家把一对完全密合的铜质空心半球中的空气抽掉,让半球内处于几乎真空的状态。

然后驱动马车去拉开这两个半球。但无论马使多大劲都没有能够拉开。这个实验让让我们知道了大气压力的作用,同时涉及到了“真空”的属性。

但是如果你仔细看上文的表述,你就发现,我并没有用“真空”,而是用“几乎真空”。这是因为,人类在挑战真空的路途上,始终不曾触达到“绝对真空”。那这到底是咋回事呢?


真空到底是什么?

真空是指一种不存在任何物质的空间状态,说白了就是一种物理现象。关于真空的定义,我们要知道的是,在宇宙中其实不仅仅只有“物质”,宇宙中存在的东西远比我们想象中的要多得多。

其次,我们都知道,物质是由粒子构成的,比如:空气是由氮分子、氧分子等构成。

而分子实际上又是由原子构成的。当然,原子实际上也可以再分。

所以,关于真空的定义,我们如果从微观的角度来看,就是说没有任何粒子存在的空间状态。

那么不禁要问了,真的存在“真空”状态吗?

存在真空状态吗?

实际上,真空状态还是理论上成立的一个物理现象。无论是在地球上,还是宇宙中,“绝对真空”都是不存在的。目前,最接近于真空状态的就是宇宙空间了。那具体是咋回事呢?

这其实和人类抽真空的手法有关。这和降温是一个道理,我们没有办法把一个温度降到绝度零度,这是因为制造低温是依靠热传递。说白了,就是拿一个低温的去给高温的降温。如果要把一个物体降低到绝对零度,那就需要用比绝对零度还低的温度来给它降温,可问题是绝对零度已经是最低温度了,所以不存在比绝对零度还低的温度。

同样的,抽真空的办法,说白了就是利用“更真空”来均,要降低到绝对真空,就得依靠比绝对真空还空的空间。但绝对真空已经是最真空的状态了,因此,不存在比绝对真空还真空的空间。

宇宙空间中的真空程度其实要远比我们人类做出来的真空还要空。科学家可以通过观测和理论计算出宇宙的平均密度,他们就发现,宇宙的平均密度大概是1*10^-28千克/立方米。这是啥水平呢?

如果把宇宙中的粒子都看成是氢原子,那这概就是一立方米里只有一个氢原子的水平。所以,这个水平已经是非常空旷了,远超人类创造真空的水平,但还不是真空。

那宇宙能最终真空吗?

实际上并不会,我们知道,宇宙中是有物质的,而宇宙其实可以看成是一个空间。宇宙之所以物质密度很低是因为宇宙大爆炸之后空间就在膨胀,而且由于早期存在一个暴胀期,物质是非常均匀地分布在宇宙空间中的。随着宇宙空间的膨胀,物质密度是逐渐降低的,但无论如何,这些物质只要还在,宇宙就不会是真空,只能无限接近于真空。而物质是不可能凭空消失,所以,宇宙永远不会变成真空。

真空中是什么都没有吗?

实际上,这个问题我们可以直接给出答案:并不是。真空远比我们想象中的要热闹许多。我们刚才说到过,真空只是指“没有物质”。但宇宙中不仅仅有物质,还有很多其他的东西。

我们来举个例子,初高中我们都有学过电磁学,其中就会涉及到电磁场。就拿磁场来说,你说它是物质准确吗?它虽然不是实物粒子构成的,但它又实实在在存在。

随着物理学的发展,科学家发现,在宇宙空间中不仅仅存在着磁场,还存在着其他的场。比如:希格斯场。上世纪科学家在研究质量的时候就发现,物体的质量99%来自于强力束缚夸克所释放出的能量质能等价为质量,可问题是,剩余1%的粒子的质量到底是从哪来的呢?

后来,科学家提出了一个希格斯场的理论,他们认为宇宙空间中遍布着希格斯场,这个希格斯场赋予了粒子质量。2012年,欧洲核子中心的LHC找到了上帝粒子希格斯玻色子,证明了希格斯场的存在。这个希格斯场其实就类似于磁场一样,你看不见,摸不着,但它真的存在。

所以,真空中是存在着各种“场”,正是它们的存在,确保了物质能够构成。

量子涨落

除了“场”,空间中还存在着“量子涨落”,这个是指在空间中,任意位置对于能量的暂时变化。这其实是一种量子效应。这种效应的存在使得真空也显得格外的热闹。

暗物质和暗能量

随着天文学和物理学的发展,科学家发现,我们对于“物质”的理解并不全面。我们所能够看到的物质被我们称为可见物质。他们在宇宙中仅仅占据了不到5%的比例,而在宇宙还存在着95%以上看不到的物质,它们就是暗物质和暗能量。

如今我们对于暗能量的了解几乎为0,但是正是在它们的驱动下,宇宙在加速膨胀。而暗物质其实只参与到引力当中,它大概率是弥漫在整个空间当中的,可能此刻正在穿过我们的身体,但由于它不参与电磁作用,因此,我们感觉不到。因此,看似真空的空间中,也很有可能会存在暗物质和暗能量。

因此,真空真的不是什么都没有,相反,真空很热闹,而且还有不少东西,只是它们并非是可见物质而已。