《一位老工程师的前沿物理科普贴》
第12节

作者: 浅论物理
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  但要严格的说来,此时玻璃罩内还不能算是真正的真空,那部分空间仅仅是将气体抽完了没有气体存在的空间。而闹钟所发出的声音是需要通过气体振动来传播出来的,一旦失去了传播声音的介质——空气以后,我们就听不见声音了。这在经典物理阶段,玻璃罩内的空间已不再有分子状态的物质存在了,因而在当时的认识水平上,就将这样的空间叫做真空。

  其实进入量子力学时代,顾名思义真空就应该是什么物质都不存在的空间。而上述玻璃罩内的空间就算不得真正意义上的真空了。因为里面至少有光子存在,如果没有光子能闯行无阻地进去出来,我们是决看不见里面的闹钟的。那么,我们干脆用厚厚的黑漆将玻璃罩涂住,外面再用黑天鹅绒布将它包裹严密让光线一点也透不过去,那里面不就成了真正的真空了吗?答案仍然还是否定的。不信的话我们可预先在里面放入用黑纸包严的未感过光的底片,结果却难以防止底片在外来α射线、γ射线的照射下被感光。我们还可以继续用铅板以及其它金属将其屏蔽住;同时加上多层绝缘材料包裹来防止电子的闯入。这样是否能保证里面是处于真的真空状况呢?答案依然是否定的。这么做并没法阻止γ射线及其它各种高能粒子的闯入。在研究量子力学时,往往有些物理实验需要在千米深以下的岩石洞中去做,那就是为了尽量避免和减少外干扰。因而说真正意义上的真空目前还很难寻找到或制造出来。至多只能根据需要制造出能隔绝某部分物质的相对真空,譬如前面所提到过的抽尽空气的玻璃罩里面、电灯泡里、暖瓶胆夹层里、都是些没有分子状态物质存在的一种相对的真空。为避免混淆我们需要说明一下,在本章中所研究的是那种不存在任何物质的空间,也就是我们一再反复提到的真的真空。

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日期:2009-10-24 06:48:55

  那么,既然想尽一切办法都难以同时阻止各种物质,包括高能粒子的侵入。这样的真的真空似乎没有办法建立,那么它的意义也就不大了。也就是说这样的真的真空究竟存在吗?答案应该是肯定的。在宇宙空间,也就是太空中始终存在着无数的真的真空。并且它在整个太空中一直占据绝对多数的空间比例。而整个太空中所有物质的体积只占整个太空体积中很可怜小的一点点——总体积几乎为零。

  从地球往外说,随着高度增加,大气层越来越薄,进入太空根本就不存在空气了。并且太空中其它星球许多都没有大气层包围。整个太空空间还存在有气体,它的宇宙背景温度约为2~3K(在-270℃以下)。空气在-194.5℃时就已经凝成了淡兰色的液态空气。-200℃时二氧化碳则变成了雪白的结晶体;汽油、煤油、水银、酒精都变成了固体。太空中已不复有气体分子以气态飘游。太空中除了自从宇宙诞生之日起,由宇宙从奇点大爆炸逐渐形成的各种物质、星系而外,在体积占绝对优势的空间,仅存的物质就剩微粒及能量了。

  原先在研究光速时曾有人提出过在一个特定的坐标系中,整个太空空间充满了一种叫以太的物质,它是光子、电磁波传递的媒介。但以太充满整个空间无处不有并且是连绵不断的绝对静止的一种刚体。以太这么定义就相当于是整个空间;但空间是空的,以太却是以实体物质组成的整个空间。实在是太难以令人想象了,也没法解释它与其它实体、微粒之间的种种存在矛盾。微粒并不只是仅有一种,而是种类太多了,总不能给无数种微粒,设计出无数种以太,并且全要占据整个太空空间。那要有多少个太空空间存放它们;并且这无数种重叠的以太。又要互不干扰地安布就班地各司其职,简直矛盾重重不可思议。终不然,我们呼吸时也满肺充满了以太,随后又吐出来,那么生命离不了空气又如何存在,如何供我们呼吸所需呢?因为至多说以太在太空空间与其它无数种微粒一样,以自己的速度等个性可自由自在地遨游整个太空空间。而以太却在以后的迈克尔逊——莫雷实验的结果中彻底否认了它的存在。以后爱因斯坦在发布狭义相对论时也宣布以太的存在是多余的。

  那么宇宙中所有物质实体到底占有宇宙空间多大的比例呢?目前我们所说的宇宙空间体积可假定为半径是150亿光年的球体体积那么大;因为现在测算出来的宇宙年龄为150亿光年;也就是说在150亿光年前宇宙诞生时是从一个奇点大爆炸逐渐形成的。爱因斯坦相对论说光速每秒30万千米是一切物质的最高极限速度,我们就假定这150亿年里宇宙物质一直是以光速往外扩散的,并且根据“红移”理论宇宙还在继续扩散。那么它再也拿不出什么依据来估算宇宙空间体积了;更主要的是相对于宇宙物质体积之比几乎为无穷大而言,还是允许存在这样的估算误差。如今物理学家根据“红移”理论发现了150亿光年远的天体,甚至有说发现了230亿光年远的天体。因为最初的全宇宙物质的体积只不过是一个奇点,理论上讲直径几乎近似于零。那么它与宇宙空间之比不就是无穷小了吗?

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日期:2009-10-25 00:02:23

  当然,将该奇点直径看作近似于零可能有些过小;但是如果能测出形成宇宙物质的最原始的物质的体积再乘以它的数量这便是黑洞的体积。根据黑洞是由比中子星更大质量的物体形成,自然是在更强大的引力下形成的更小体积来看,黑洞体积远小于中子星。中子星的体积是可以用我们现在已知的中子个体体积,直径为10^(-14)米数量级乘以形成该中子星的中子数量得来的。黑洞的体积也应该根据此原理求出。在目前霍金的宇宙学理论中最终黑洞的最小体积——奇点直径接近于零。

  这当中必须认清楚的是为什么质量更多了,而体积反倒更小了。其实这个道理很简单,因为组成黑洞的微粒是构成一切宇宙物质的最原始的物质,也就是最小体积的微粒,这也就告诉了我们,组成黑洞的物质的密度是至少大于每立方厘米6750亿亿亿克、黑洞中心奇点的密度为无限大。而中子星的密度是仅为每立方英寸几亿吨的根本所在。这说明了,黑洞由最小微粒紧密构成时,其微粒之间没有间隙或至少是相对于其它物质来说具有最小的体积几乎为零的间隙。而从最原始的粒子,到逐阶层形成夸克,再由夸克结合成中子时,已经增加了难以计数那么多倍数的间隙。

  而在它组成其它物质时所组成的物质层次越大其间隙也越大。我们暂时还不清楚由最原始的微粒开始经过了多少层次组成了中子,但可以肯定中子当中,本身已经有了不小的间隙。至于中子这微粒自身当中已经含有多大的间隙,这大概值,可以用同等质量的中子与最原始物质的体积比较一下就知晓了。譬如由中子星的密度与黑洞的密度比较一下就可知中子星的体积增大了多少倍。由于黑洞的密度无限大,这实质上也揭示了尽管在人们的印象中,中子是极小的,但是中子自身物质的实际体积与它自己的内部间隙相比较,还仍然只是一个极小值。

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