首页 理论教育 如何定义空就是一个大问题

如何定义空就是一个大问题

时间:2022-09-28 理论教育 版权反馈
【摘要】:我们在日常生活中就是如此定义“空”这一词的。而吸尘器只能通过降低气压达到五分之一的真空度。简单说来,如何定义“空”就是一个大问题。如果你我之间空无一物,不存在任何别的东西,那么我们就是彼此相邻的。他据此认定物与物之间的空间填满了一种看不见的介质。随后又出现了量子科学,进一步颠覆了虚空这一概念。因此,这个袋子很有可能会在某一时刻变空,就像宇宙一样归于虚无,直到再次出现另外一个宇宙。

自然科学,剑桥)

麦克白夫人怂恿丈夫谋杀了国王邓肯之后备受内疚的煎熬,曾经发出过这样的哀嚎:“什么!这两只手再也不会干净了吗?”本面试题看上去就很像这种问题。嗯,面试官之所以如此绝望地想要抖空这个袋子,一定是因为曾经用这个袋子装过某人的尸体。不过,如此回答上述面试题的时候太过聪明了吧……

好吧,安全起见,还是先从最平庸的回答开始说起。我将袋子里所有肉眼可见的东西全都拿出来以后,这个袋子就变空了。我们在日常生活中就是如此定义“空”这一词的。所以倒空一个袋子用不了多少时间,只需将袋子开口朝下,倒出里面的手机、午餐盒、笔记本和钢笔、印有“我爱贾斯汀·比伯”字样的T恤衫、《成为天才的50种方法》,还有一个装着一叠五英镑钞票的信封,准备面试结果不理想的时候派用场的……

当然,这个空袋子此时并非真的空无一物。除了灰尘、面包糕点碎屑、小碎纸片以及数以百万计的微生物之外,袋子里的每个角落都充满了空气。我把固体物品从袋子里拿出来的一瞬间,空气就涌了进来。空气分子的运动速度很快,眨眼就填满了袋子里的所有空隙。

那么,如果我把空气全都排空了呢?袋子里没有空气就真的变空了吗?我可以用吸尘器把袋子抽成真空状态,就像我们在家里抽真空储存羽绒被那样。这样袋子就能更空一点了吧。当然,袋子应该足够硬实,这样才能抵挡得住外部的气压,不致变成平板一块。实际上,要做到完全密封是不大可能的。就算真能做到不漏气,哪怕用上世界最好的吸尘器也只能达到局部真空的效果。物理学家通过大气压力来计算真空度:气压越低就越接近真空状态。而吸尘器只能通过降低气压达到五分之一的真空度。

如今很多科学实验室和研究所都配备先进的超高真空室,或许我可以把袋子放进去让它变得更空一点。但就连这种科学真空室也做不到完美真空,即使它们可以将气压降至最低万亿分之一大气压,这仍算不上是完美真空。

好吧,现在我真的要绝望了。那就把袋子放到下一艘飞往火星的太空船上,将其扔进外太空,等它里面的空气慢慢发散出去。如果时间够长的话,这样最终应该就可以排空袋子里全部的空气了。但是,“太空”这个词其实具有极大的误导性,因为即使是在看似什么都没有的太空中,每立方米空间还是飘浮着几个原子,偶尔有一两个氢原子飘进袋子里也并非完全不可能。就物理理论而言,似乎不可能把袋子清得比这更空了,所以我还是就此举手投降吧。

没错,或许想尽一切办法可以成功捕捉到袋子里最后几个游离的氢原子,但我突然意识到这一切全都是徒劳无益的。

“空”这一概念长久以来一直都是困扰着世界各国思想家的难解之谜。简单说来,如何定义“空”就是一个大问题。如果你我之间空无一物,不存在任何别的东西,那么我们就是彼此相邻的。从语义学看,“空”就意味着不占据任何空间。

亚里士多德等古代思想家认为自然界不存在真空,因为密度较大的物质总是会立刻填满一切空隙,据说亚里士多德关于这个问题说过一句名言:“自然憎恶真空。”实际上他对此还有进一步的阐释,表示虚空在概念上是不可能实现的,因为世界上并不存在“无”这种东西。他据此认定物与物之间的空间填满了一种看不见的介质。德谟克利特的观点与之相反,认为世界只有原子和虚空。一向文风刻薄的他曾经这样写道:“除了原子和虚空,其他一切都是不存在的,有的只是观点。”

这场关于“物质与物质之间到底有什么”的争论两千年后仍在继续。牛顿认为填满空间的是一种没有摩擦力的无形介质,为常规运动定律提供运作的框架。莱布尼茨则认为宇宙的固体物质足以构成运动定律的运作框架,其他的一切都是虚无的空间。

与此同时,伽利略和托里切利均以实验证明了真空这一物理状态的存在。他们将装满水(之后改用水银)的玻璃管倒置于水(水银)槽中,水面下降后玻璃管上端出现一段空间,因为整个操作过程中玻璃管内没有进过空气,没有水的部分一定是真空状态。后来的一些实验证明,这一真空状态也并非一成不变,如果将实验装置带到山上,随着大气压力的降低,真空空间就会变大。如果物理变化能够改变真空的状态,则可推定其必具物理属性。

此后几个世纪,科学家们不断改善该实验,所获得的物理真空效果也越来越好。但是尽管如此,没有人真正了解什么是真空。原子之间存在某种隐形介质的观点在后来提出的“以太”这一概念中得以延续。很多科学家都认为以太是传送光波和电磁所必需的一种神秘介质。阿尔贝特·迈克尔逊(Albert Michelson)和爱德华·莫雷(Edward Morley)于1887年做过一次著名的物理实验,证明不存在任何形式可测量的以太(绝对静止参考系)。由此看来,我的空袋子或许还真的有可能是空的。

随后又出现了量子科学,进一步颠覆了虚空这一概念。量子理论认为电子等粒子并不只存在于一个位置,所有的粒子和场均为波动的概率。就算我的袋子能够做到完全密闭,与外部宇宙隔离,袋子里貌似除了“完美真空”之外别无他物,但里面还是会有电场,有相互作用的夸克。尽管总的电能量平均为零,该真空能量[1] 还是可以测量的。

因此,我的这个完美真空袋实际上是量子能量的一种“沸腾发酵”,波与粒子不断出现、消失,能量持续波动,达到最低点的时候即被称为真空状态。但就算是在真空状态,能量也还是存在的。

有些理论认为我们所处的宇宙只不过是一种真空能量的波动,和量子真空中的粒子一样源自虚无。在莎士比亚的著名悲剧《李尔王》中,老国王对考狄利娅说:“没有只能换来没有”,以此惩罚不愿用甜言蜜语换取老父亲赏赐的小女儿。事实证明他是错的,就像宇宙的发展,“无”中的确生出了“有”。问题是,这种“有”是一种波动性的存在,因此很有可能会重新归于“无”,很有可能像肥皂泡一样破灭。因此,这个袋子很有可能会在某一时刻变空,就像宇宙一样归于虚无,直到再次出现另外一个宇宙。谁知道呢,在此之前袋子有可能已经空过几百万次或几十亿次,宇宙也有可能已经消失过几百万次或几十亿次。

【注释】

[1]实际上,科学家们如今认为空间内充满真空能量,其产生的压力导致宇宙反重力发展。近年来,远距离超新星的发现显示宇宙的扩张不仅没有减速,反而越来越快,其原因或可归于这种黑暗的真空能量。

免责声明:以上内容源自网络,版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。

我要反馈