科学探索之“真空”到底是什么?

“真空”是物理理论模型中的一个基础元素,它看起来很好理解,就是“空无一物”、“真正的空”。在这个理论模型中,它可以是永恒不变的,代表了唯一的含义。然而人们对真空的理解和认识却随着科学知识的进步不断发生着变化,在科学探索史上一波三折,留下了精彩的篇章。至今,我们仍未对真空有着圆满的理解和解释。

在科学的矇昧时期,人们依靠感官来认识和理解什么是“空”。日月星辰、大地海洋、山川河流、虫鱼鸟兽,这都是活生生的形象,刺激着人类的视觉、听觉、触觉,而天地之间似乎空无一物,看不到、听不见、摸不着,这显然就是“空”了,古人的直觉自然这么认为。虽然有风云变幻,气化蒸腾,但人们却将它们当作不同的事物,没有因此而认识到空气的存在。这便是“真空”的最初认识阶段。

随着科学尤其是化学的发展,人们对空气和气体的研究不断深入。人们对化学燃烧现象进行了深入研究,借助于燃素说的理论,人们进行了一系列实验,终于发现:根本就不存在什么燃素,燃烧仅仅是燃烧物质与空气中的氧气发生的化学反应。而还有一部分则是不发生反应的气体,人们将之称为氮气。人类也是在不断地呼吸着氧气,才维持着生命的新陈代谢作用而得以生存繁衍。声音通过空气的波动而得以传播。当然,后来又发现了空气中一些占比很少的惰性气体,他们共同组成了我们地球的空气。“真空”中还存在着空气!人们认识到,只有将空气排除出去,才能叫做“真空”。这是对“真空”认识的第二阶段,也是现代人们最容易理解的阶段。

后来,随着科学对光现象认识的深入和解释,人类建立了辉煌的电磁理论,确立了光的波动学说,而为了解决光波的媒介问题,人们提出:空间中充满了以太,以太这种物质,均匀地充满整个宇宙空间,它不可见又密度稀薄,它是电磁波得以传播的介质。以太充满了空间,这是人们认识的另一个阶段。然而,随着相对论的建立,人们最终摒弃了以太观念,证明这是一个错误的理解。这也算是对真空认识的一个小插曲吧。

到了现代,科学为了解决“两朵小乌云”的问题而走上了岔路,建立了从根本上来说不相容的两种理论:相对论和量子力学。而这时对真空的认识也随之走上了岔路,至今无法弥合。

按照相对论的理解,真空也就是空间,它更像是一种柔性物质,这种物质因物质的存在而发生了扭曲,根据质量的大小而扭曲程度不同,扭曲带来了引力。根据相对论,我们得以理解广袤而神秘的宇宙,发现了黑洞等奇异天体。在这种情况下,真空好像变成了一种物质,而原来我们理解的真空则变成了一种纯粹的理论。这时的“真空”,如水一般柔顺光滑,富于变化,万物处于其中,随之漂流。

而按照量子理论的理解,真空则成为了一种“场”,现在的标准粒子模型认为,真空就是一片负能量电子海,或者说是希格斯场,大大小小的粒子在其中产生、湮灭,像一锅开水沸腾着,物质从中产生又消失。这有点像是东方哲学的说法了:无中生有、有生于无。老子说:“道生一,一生二,二生三,三生万物。”是不是看起来似曾相似呢?现代宇宙学也认为宇宙本身都很可能产生于一次量子涨落事件。科学与东方神秘哲学似乎在这里不期而遇了。这时的真空,就像是一片海,里面蕴藏着无限的能量,甚至可以创造出宇宙本身。它更像是宇宙的根本、万物之源,“无极”。

然而,还有一些未来理论,未被实验所证实的新理论,那就是“弦理论”、“M理论”,最有可能的万物统一理论。在这个理论中,人们发现了空间更为奇妙的性质。宇宙空间也许不是仅仅只有三维,而是有十一个维度!空间变成了一种奇妙的似乎是想象中的事物,蜷缩的六个空间维度和一个时间维度共同构成了我们的空间。这时的“真空”变成了布满无数六维小球的奇异空间。当然,这样描述并不精确,但现在已难以想象它到底是什么样子了,这个理论还有待进一步完善。这是“真空”的未来阶段,想象中的“真空”。

人类对“真空”认识的变化就像是上演了一出梦幻大戏,科学随着对“真空”认识的变化而不断发展进步,成为了一部史诗级的传说。后来的“真空”已经不是理论模型中的那个空无一物的“真空”了。然而,对“真空”真正含义的探索还会继续,为科学的发展谱写新的伟大篇章。

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