除了电子和原子核之外,原子里面真的什么都没有了吗?
简单讲,并不是什么都没有,甚至恰恰相反,那里的东西甚至比我们的现实世界更热闹!在我们的世界里,根本就不存在绝对的真空,“什么都没有”是不可能存在的。
真空,从名字上来看,好像是“什么都没有”,比如说早在17世纪,托里拆利就做了一个实验,被称为“托里拆利实验”。实验很简单,一根1米长的玻璃管装满水银,然后把水银管倒插在水银槽里。
一段时间之后,水银柱的高度会下降到76厘米,上方是24厘米的真空环境,这样的真空环境一度被认为就是“什么都没有”。
但如今我们知道,并不是那样的。虽然水银柱上方的真空环境看起来什么都没有,连空气都没有,但仍会残留少量的大气分子。即便空气全部被抽干了,里面还会有各种宇宙辐射,中微子等。中微子无处不在,每秒钟就是上亿个中微子穿过我们的身体,但我们毫无知觉。
理想状态下,如果我们把所有的宇宙辐射,中微子等全部去除掉,就是绝对的真空了吗?
仍然不是。因为那里还会有时间和空间,也就是时空结构。本质上来讲,时空也是一种物质,广义上的物质。无论如何我们不可能把空间去除掉,因为万物存在的基础就是空间,就是四维时空。
退一步来讲,即便是一无所有的空间被认定是绝对的真空,也就是只有四维时空的环境,这样的真空也是不存在的。
因为时空并不能单独存在,必须与物质同时存在。通俗来讲,一无所有的真空是不存在的,必须有最基本的场,场就是物质,时空必须作为场的结构性质而存在。
而现代科学早就证明了这点,所谓的“真空不空”,不但不空,还非常活跃,里面充满了各种虚粒子,也就是能量。
假如我们把空间里的所有物质都赶走了,无论如何我们不可能把场赶走,可以说场是宇宙存在的基础,这里的场包括很多种,比如说电子场,中子场,希格斯场,中微子场。不少科学家甚至认为,我们的宇宙一开始就是充满各种场的状态,看起来就像是某种“混沌”状态,所有的场都处于基态,也就是最稳定的状态,就像风平浪静的大海一样。
按照量子力学的不确定性诠释,处于基态的场总是会受到扰动,然后变为激发态,出现波动,具体体现出来就是我们经常所说的“量子起伏”,或者“量子涨落”。
量子涨落,就是真空中衍生出来的正反虚粒子对,随机衍生出来然后瞬间湮灭。不断衍生湮灭的虚粒子对,让一开始处于基态的场变得活跃起来,转为激发态,之后又会退回基态,因为基态是最稳定的状态,万物总是倾向于回到基态。
量子涨落的过程,就好像风平浪静的大海突然变得波涛汹涌,非常热闹。
所以,量子力学认为,所谓的真空不过是处于基态的量子场系统,这些基态的量子场拥有最低的能量,一旦基态的场受到扰动成为激发态,就会产生波动,波动的过程中就会诞生各种基本粒子,比如说电子,中子等。电子场的激发会形成电子,而中子场的激发会形成中子。
原子的内部空间就是这样的真空,也就是量子场的基态,并不是一无所有。
原子非常小,不过原子核尤其是电子就更小了。打个比方,如果原子有体育场那么大,那么原子核只相当于一个绿豆的大小,而电子就更小了,它比原子核还要小很多。
但是,电子与原子核的关系并不像地球与太阳的关系那样,电子并不是围绕原子核旋转的,而是随机地出现在原子核周围,可以同时出现不同的地方,这就是量子世界的奇妙性,看起来就好像电子无处不在一样,也因此被称为“电子云”。
电子云的存在,也是原子为何如此“结实”的主要原因,让原子表现得就像一个实体玻璃球一样。
总之,所谓的“绝对真空”是不存在的,任何真空都是相对的,大自然好像非常厌恶真空的存在,总是想办法阻止真空的出现,这或许也是为什么人们很难制造出真空环境的主要原因。
即便是理想情况下,人们也能制造出只有空间存在的“真空”,这时候大自然就会像“变魔术”一样,在真空中随机“变出来”正反虚粒子对,以阻止绝对真空的出现。
其实,从哲学逻辑上来讲或许能更好理解绝对的真空为什么不能存在,因为万物都是相对的,真空与不空必须同时存在,说白了,真空必须通过不空的存在才能“衬托”出来,就好比好与坏必须同时存在,如果没有了“坏”,“好”也就没有了任何意义,自然也就不存在了。
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