“真空的真空”的存在性問題
摘要：許多科學家包括諾貝爾獎獲得者李政道教授都預言，真空是未來物理學的一個重要研究對象。十七世紀的伽利略時代人們曾討論過“真空”是否存在的問題?當時的學術界分成兩派，一派以帕斯卡為代表，認為真空存在，另一派以笛卡爾為代表，認為真空不存在，最后實驗證明“真空存在派”正確。現代研究表明，真空并非一無所有，這樣就產生了一個新的問題“排除了真空物質后的空間”，即“真空的真空”是否存在?本文探討了與“真真空”有關的問題，提出了一些觀測實驗方法，這些方法可以幫助我們最終解答“真真空”的存在性問題。
關鍵詞：真空 真真空 物理學 物質空間 宇宙學
1. 引言
許多科學家包括諾貝爾獎獲得者李政道教授都預言[1]，真空是未來物理學的一個重要研究對象。在十七世紀的伽利略時代人類還不知道真空是否存在，當時的學術界分成兩派，一派認為真空存在，以帕斯卡為代表，一派認為真空不存在，以笛卡爾為代表，最后通過一系列實驗“真空存在派”勝出[2,3,4]。當時的科學家認為的真空是一無所有的空間，但現代研究表明，真空并非一無所有，其中包含了豐富的物質內容，如：宇宙背景輻射、引力場、宇宙射線、暗物質、暗能量等等[5,6,7]。那么如果在真空中移除這些真空物質后，余下的空間，即“真空的真空”或稱“真真空”是否存在?我們面對了十七世紀科學家面對的同樣問題，本文探討了與“真真空”有關的問題，提出了一些觀測實驗方法，這些方法可以幫助我們最終解答“真真空”的存在性問題[8,9]。
2. “真真空”的定義
可以從兩個方面給“真真空”下定義，(1)從宇宙膨脹的角度考慮，隨著宇宙的膨脹，宇宙空間的平均能量密度變小，如果宇宙無限膨脹，那么其中的真空場物質的密度也會趨向0，所以可以定義，“真真空”是：有限真空空間無限膨脹的最后狀態;(2)另一種方法是仿照“真空”概念的定義，首先定義什么是“容器空間”，如果在地球表面設想一個立方體，其中可以包含氣體、液體或固體等普通物質，將這些物質從這個立方體中移去，那么剩下的空間就是這些有質物質的容器空間，所以“真空”的定義是：有質物質的容器空間。真空并非一無所有，其中至少存在各種“場物質”，如：宇宙背景輻射、引力場等，所以“真真空”的定義是：真空場物質的容器空間。
3. 產生“真真空”的方法
“真空”的存在性最后是通過實驗證明的[2]，所以“真真空”的存在性也只能由實驗判決。可能產生“真真空”的方法有許多，本文列舉四種，下面分別闡述。
(1)真空空間膨脹法：如果能使一個有限真空空間迅速膨脹至無限大，那么這樣的空間就是真真空。顯然就可實現性而言，膨脹至無限大是不可能的，但如果真空空間迅速膨脹，就可以在一定時間內得到具有一定 “真真空度”的“真真空”空間。特別是利用一些猛烈的爆炸可能產生短暫的“真真空”空間，如黑洞或超新星爆炸。這和在空氣中炸藥爆炸會產生短暫的真空空間的原理一樣。
(2)雙黑洞分離法：設想有兩個黑洞，開始它們靠得很近，由于黑洞會使空間彎曲，兩個靠近的黑洞會使它們之間的空間向相反方向彎曲，如果讓兩個黑洞迅速分離，那么在兩個黑洞之間的中心區域就會產生“真真空”。
(3)真空物質移除法：歷史上真空空間的獲得就是采用抽真空方法。如果要在“真空”中獲得“真真空”，必須創造一個屏蔽空間，將所有的真空物質都屏蔽在外，這樣得到的空間就是真真空。但到目前為止人類還沒有可以屏蔽引力場的方法。
(4)外宇宙存在證明法：這是一個間接方法。地球上獲得真空是很困難的，但如果我們走出大氣層，那么宇宙空間到處是真空空間。出于同樣的考慮，如果多宇宙理論成立，那么外宇宙和我們宇宙之間的空間就是“真真空”。所以只要能證明外宇宙存在，那么“真真空”存在就成為自然的事。
4. 笛卡爾-愛因斯坦公理
對于空間和物質的關系問題，歷史上存在兩種截然不同的觀點(1)原子論觀點，以德謨克里特、牛頓、玻爾茲曼為代表[6,10]。認為物質是不連續的，存在不可分的原子和一無所有的虛空，分立的物質基元原子，在一無所有的虛空中運動，原子之間除了碰撞外，其它作用都是超距作用，因為虛空不可能傳遞任何有限速度的相互作用。這一空間和物質關系模型，在歷史上取得了巨大的成功，奠定了經典物理學的基礎;(2)場論觀點，以亞里斯多德、笛卡爾、愛因斯坦為代表[11,12,13,14]。認為不存在不可分的原子，所有的物質都是無限可分的，不存在一無所有的空間，存在的空間中都存在物質，所以空間和物質是不可分離的。只存在空間中物質的密度的疏密區別，而不存在可脫離物質而獨立存在的空間。物質之間的相互作用是通過場來傳遞的，所有的相互作用都是以有限速度傳播的。這一空間和物質關系模型，奠定了現代物理學的基礎。
兩種空間和物質關系模型：“原子模型”和“場模型”在一定條件下是可以統一的。在“場模型”中，假設凝聚態物質之間的作用場物質無限稀薄，通過場物質傳遞作用的速度近似為無窮大，這時“場模型”就可簡化為“原子模型”。所以可以認為“原子模型”是“場模型”在一定條件下的近似。
現代物理學的研究表明，“場模型”更接近真實，所以麥克斯韋電磁場理論，相對論都是以“場模型”為基礎[15,16,17]。從場模型可以得到一條公理：
笛卡爾-愛因斯坦公理：一無所有的空間不存在，存在的空間中都存在物質。
在物理學中如果將上述公理作為推理的邏輯起點，可以得到許多新的東西。首先，從笛卡爾-愛因斯坦公理第一個得到的就是“物質空間”的概念，因為空間中總存在物質，物質又總存在于空間中，所以空間和物質是不可分離的，為了表述方便，這樣的空間稱為“物質空間”。可以給“物質空間”下一個明確的定義，首先定義“理想物質空間”。
理想物質空間：充滿無限小連續物質的空間。
真實的物質空間是：充滿連續物質的空間。理想物質空間是真實物質空間在一定條件下的近似。真實的物質空間有：“水空間”、“空氣空間”、“真空空間”，任何物體都存在于一定的物質空間中，沒有例外，如：魚生活在水中，人生活在空氣中，星系運動在真空中。
物質空間可分層次，真空為空氣的“容器空間”。真空并非一無所有，抽掉真空物質就得到真空的容器空間，即：“真真空”，根據笛卡爾-愛因斯坦公理，真真空也非一無所有，所以它一定也存在“容器空間”，以此類推，就形成了物質空間的層次結構。物質空間的層次結構模型，可以用“俄羅斯套娃”形象地比喻。描述物質空間層次結構模型的數學必然是高維的，所以“物質空間層次模型”可以作為“高維空間”的物理模型，高維空間是無法想象的，但物質空間是可以想象的。
歷史上以太概念曾一度流行，但物質空間和以太是兩個完全不同的概念，從來沒有人把空氣和水看成是以太，物質空間強調，空間中總存在物質，物體總在一定的物質空間中運動，沒有例外。不需要對物質空間做任何強加的機械類比，所以物質空間不是以太。
5. 證明“真真空”存在的觀測實驗方法
前面列舉了四種獲得“真真空”的方法，但按現有的技術條件前三種方法都是無法實現的，只有最后一種方法有可能用現有的技術，通過觀測實驗實現，也就是通過觀測實驗證明外宇宙存在，具體有兩種可行的方法(1)大爆炸DNA識別法;(2)類星體觀測法。
(1)大爆炸DNA識別法：現在的“標準宇宙模型”認為[6]：宇宙來源于一次大爆炸，也就是現存的宇宙中的所有物質，如：恒星、星系、星系團等，都來自同一個母親“宇宙大爆炸”。大家知道來自同一個母親的兄弟姐妹，必然有相同的DNA基因。同理來自于同一個“宇宙大爆炸”的物質系統，同樣一定具有一些共同的特征集，可以通過這些特征集中的特征識別物質系統是否是宇宙大爆炸的產物，所以“物質系統的宇宙大爆炸共有特征集”就是“大爆炸DNA”。
例如：大爆炸發生于137億年之前，所以所有的星系中的恒星的年齡必須小于這個數值。這一特征就是大爆炸DNA中的特征之一。如果在宇宙的邊緣，發現一個星系中的恒星的年齡為400億年，那么可以肯定這顆恒星，甚至擁有它的星系不是大爆炸的產物。又如：大爆炸理論預言了宇宙中的輕元素豐度，如果發現一個星系的輕元素豐度嚴重偏離了理論預言，那么可以懷疑它是否來源于大爆炸。還有我們宇宙的總能量可能與其它宇宙不同，所以本宇宙的一些物理常數和其它宇宙也會不同，如：引力常數、光速、精細結構常數等，如果可以測量一個已觀測到的類星體內的這些常數，和本宇宙中的常數比較，如果不同，說明這個類星體可能是外宇宙。
(2)類星體觀測法：如果外宇宙存在，并能被望遠鏡觀測到，那么它在望遠鏡中一定是一個類星體，因為外宇宙離我們很遠，在望遠鏡中的像應該很小，但能量很大，所以會有許多奇異的能量現象。不過本宇宙的一些特殊星系核在望遠鏡中也是一個類星體，所以就必須要有能區分是本宇宙星系核還是外宇宙的方法，下面介紹一種可行的方法：
根據宇宙大爆炸理論[6,18]，大爆炸后約50～100萬年左右，原子開始形成，宇宙中產生了大量的中性原子氣體，光和物質的作用開始退藕，光可以在宇宙中自由穿行，宇宙開始變得透明，宇宙背景輻射就是這時候產生的，一直保留到現在。在隨后的10億年中，宇宙經歷了一個物質凝聚、星系逐漸產生的過程。這10億年將是觀測外宇宙是否存在的最佳窗口。因為外宇宙有許多年齡遠遠大于我們的宇宙，如果用望遠鏡能追溯到大爆炸的這一時期，那么一定存在一個觀測距離，在這個觀測距離外，星系已不存在但外宇宙仍然存在，假設在這10億年中的某個時間它們的光線正好進入我們的宇宙，并在本宇宙中傳播，最終到達我們現在的望遠鏡中，就像宇宙背景輻射最終到達我們現在的天線上一樣。所以在本宇宙的邊緣，隨著望遠鏡的觀測距離逐漸變遠，星系逐漸稀少，最終看不到星系和任何大爆炸后產生的天體，但可能會看見一些不變的類星體，因為這些類星體是外宇宙，外宇宙不會因為望遠鏡在本宇宙中的觀測距離變遠而消失。如果我們確實能觀測到這樣的類星體，這些類星體又不參與宇宙大爆炸后的演化，就可以判定這些類星體就是外宇宙。
6. 真真空物理學
如果“真真空”存在，就會產生一個新的物理學分支，真真空物理學。真真空中物質的運動規律顯然會不同于“真空”中的物質運動規律，最顯著的一條是：真真空中物體的最快運動速度可以超光速。在宇宙暴漲模型中[19]，我們宇宙的最外部邊界是在真真空中膨脹，或認為宇宙內部的真空是在真真空中膨脹，所以暴漲可以超光速，這個問題在愛因斯坦相對論中是無法解釋的，但在真真空物理學中可以自然地得到解釋。
根據笛卡爾-愛因斯坦公理，真真空并非一無所有，所以物體在真真空中運動也存在極限速度，類比真空中的“光障”，可稱為“真真空障”，假設這個速度為VS，則在真真空中的狹義相對論的洛倫茲變換為：
其中β為真真空馬赫數，這樣狹義相對論仍然可適用于真真空。
如果“真真空”不空，存在真真空場物質，那么各真空宇宙之間將存在相互作用，可將這種相互作用稱為“超弱相互作用”或“真真空相互作用”，它們會通過真真空場物質傳遞。這種相互作用相對于真空中的四種已知的相互作用一定微弱得多，所以在真空中不需要考慮這種相互作用的影響;因此如果“真真空”存在，可能會存在第五種自然相互作用，人類現在無法感受，但整個真空宇宙可以感受到這種作用。
另外，在真真空中一個真空宇宙膨脹時，如果與外界沒有能量交換，或能量交換與它的總能量相比可以忽略，那么這個真空宇宙在演化過程中的總能量守恒：
其中V是宇宙的體積，ρ是宇宙的平均能量密度，包括蘊涵在質量中能量，也包括蘊涵在空間中的能量。(2)式稱為“宇宙總能量守恒定律”，它反映了宇宙演化過程中(膨脹或收縮)的整體數量關系[20]。
7. 總結
探討“真真空的存在性問題”是尋找未來物理學的可能研究方向，無論最終結果是肯定還是否定，估計在本世紀或下世紀內會有結論。如果真能通過望遠鏡發現外宇宙，那一定是人類的又一個偉大發現，其意義將不亞于哥白尼提出“日心說”。
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