宇宙并非真空 充满了量子泡沫

科技抢先报   2017-08-13 19:10

从我们以往多年的认知来看,宇宙中处于真空状态,然而事实真的是这样么?随着科技的进步,这一认知逐渐被打破。

量子物理学家通过理论显微镜作为武器将视线进一步放大,不断深入看似虚无的宇宙,直到从一片空白中忽然看出些端倪。所谓的“端倪”便是一片混乱的虚粒子,统称量子泡沫(quantum foam)。量子物理学家指出,虚粒子在时空中转瞬即逝,就像啤酒泡沫中的气泡一样。

宇宙并非真空 充满了量子泡沫

“量子泡沫中的‘气泡’只有原子核的1024分之一,存在时间极短,用‘量子语言’来说,它的直径只有一个普朗克长度(约为1.6*10-35米)那么大,寿命仅有一个普朗克时间(约为10-43秒)那么长。”佛罗里达理工学院物理与太空科学教授埃里克·博尔曼(Eric Perlman)指出。

这么小的东西显然无法被直接观测到。那么,我们为什么如此确定量子泡沫一定存在呢?早在1947年,荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔(Hendrik Casimir)和德克·波尔德(Dirk Polder)便对该物质存在的证据之一提出了预测。费米实验室的高级实验物理学家唐·林肯(Don Lincoln)将为我们解释所谓的“卡西米尔效应”。

宇宙并非真空 充满了量子泡沫

如果量子泡沫确实存在,虚粒子在太空中就应无处不在。此外,由于粒子具有波粒二象性,它们形成的波也应当无处不在。因此卡西米尔设想,如果将两块金属板靠近彼此平行放置,两板之间和外侧便都有量子泡沫。由于内外数量不平衡,金属板外侧的波将比两板之间的波强大,将两块金属板推向中间。三十年后,科学家定性观测到了该效应,并在1997年进行了精确测定。

宇宙中竟然充满了乱糟糟的泡沫状物质,这一理论大大影响了我们对宇宙的看法。

“在如此小的尺度下,广义相对论和量子力学从本质上而言无法相容。”弦理论专家、哥伦比亚大学教授布莱恩·格林恩(Brian Greene)在《优雅的宇宙》(The Elegant Universe)一书中写道,“广义相对论的核心原则是,时空基本是平滑的;但在小尺度下,量子世界却又动荡得如此剧烈,无疑破坏了这种平滑性。”

宇宙并非真空 充满了量子泡沫

因此,确定量子泡沫存在与否对于弄清现实的本质具有重要意义。但令人沮丧的是,近期实验显示量子泡沫并不存在。探测量子泡沫的方法之一是,测定恒星爆炸中释放的光子长距离传播所耗的时间。如果时空是平滑的,两个从同一光源释放的光子传播同一距离的时间也应当相同。但如果时空像泡沫一样,其中一个光子受到轻微的干扰,速度便会略慢一些。2009年的一项分析显示,从同一伽马射线暴中释放的高能与低能光子抵达特定地点的时间并不相同,但之后两次对其它射线暴的分析却显示,不同光子抵达目的地的时间几乎没有区别,说明时空确实是平滑的,或者至少“泡沫”的质地没那么明显。

不过,这些实验的精确度都不够高,不足以在极小尺度下排除量子泡沫的存在。也许要等研发出能看到普朗克长度的显微镜,才能板上钉钉。而打造这样的设备无疑是项巨大的挑战。

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