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        如何定義空就是一個(gè)大問題

        時(shí)間:2023-09-28 理論教育 版權(quán)反饋
        【摘要】:我們?cè)谌粘I钪芯褪侨绱硕x“空”這一詞的。而吸塵器只能通過降低氣壓達(dá)到五分之一的真空度。簡(jiǎn)單說來,如何定義“空”就是一個(gè)大問題。如果你我之間空無一物,不存在任何別的東西,那么我們就是彼此相鄰的。他據(jù)此認(rèn)定物與物之間的空間填滿了一種看不見的介質(zhì)。隨后又出現(xiàn)了量子科學(xué),進(jìn)一步顛覆了虛空這一概念。因此,這個(gè)袋子很有可能會(huì)在某一時(shí)刻變空,就像宇宙一樣歸于虛無,直到再次出現(xiàn)另外一個(gè)宇宙。

        (自然科學(xué),劍橋)

        麥克白夫人慫恿丈夫謀殺了國王鄧肯之后備受內(nèi)疚的煎熬,曾經(jīng)發(fā)出過這樣的哀嚎:“什么!這兩只手再也不會(huì)干凈了嗎?”本面試題看上去就很像這種問題。嗯,面試官之所以如此絕望地想要抖空這個(gè)袋子,一定是因?yàn)樵?jīng)用這個(gè)袋子裝過某人的尸體。不過,如此回答上述面試題的時(shí)候太過聰明了吧……

        好吧,安全起見,還是先從最平庸的回答開始說起。我將袋子里所有肉眼可見的東西全都拿出來以后,這個(gè)袋子就變空了。我們?cè)谌粘I钪芯褪侨绱硕x“空”這一詞的。所以倒空一個(gè)袋子用不了多少時(shí)間,只需將袋子開口朝下,倒出里面的手機(jī)、午餐盒、筆記本和鋼筆、印有“我愛賈斯汀·比伯”字樣的T恤衫、《成為天才的50種方法》,還有一個(gè)裝著一疊五英鎊鈔票的信封,準(zhǔn)備面試結(jié)果不理想的時(shí)候派用場(chǎng)的……

        當(dāng)然,這個(gè)空袋子此時(shí)并非真的空無一物。除了灰塵、面包糕點(diǎn)碎屑、小碎紙片以及數(shù)以百萬計(jì)的微生物之外,袋子里的每個(gè)角落都充滿了空氣。我把固體物品從袋子里拿出來的一瞬間,空氣就涌了進(jìn)來??諝夥肿拥倪\(yùn)動(dòng)速度很快,眨眼就填滿了袋子里的所有空隙。

        那么,如果我把空氣全都排空了呢?袋子里沒有空氣就真的變空了嗎?我可以用吸塵器把袋子抽成真空狀態(tài),就像我們?cè)诩依锍檎婵諆?chǔ)存羽絨被那樣。這樣袋子就能更空一點(diǎn)了吧。當(dāng)然,袋子應(yīng)該足夠硬實(shí),這樣才能抵擋得住外部的氣壓,不致變成平板一塊。實(shí)際上,要做到完全密封是不大可能的。就算真能做到不漏氣,哪怕用上世界最好的吸塵器也只能達(dá)到局部真空的效果。物理學(xué)家通過大氣壓力來計(jì)算真空度:氣壓越低就越接近真空狀態(tài)。而吸塵器只能通過降低氣壓達(dá)到五分之一的真空度。

        如今很多科學(xué)實(shí)驗(yàn)室和研究所都配備先進(jìn)的超高真空室,或許我可以把袋子放進(jìn)去讓它變得更空一點(diǎn)。但就連這種科學(xué)真空室也做不到完美真空,即使它們可以將氣壓降至最低萬億分之一大氣壓,這仍算不上是完美真空。

        好吧,現(xiàn)在我真的要絕望了。那就把袋子放到下一艘飛往火星的太空船上,將其扔進(jìn)外太空,等它里面的空氣慢慢發(fā)散出去。如果時(shí)間夠長(zhǎng)的話,這樣最終應(yīng)該就可以排空袋子里全部的空氣了。但是,“太空”這個(gè)詞其實(shí)具有極大的誤導(dǎo)性,因?yàn)榧词故窃诳此剖裁炊紱]有的太空中,每立方米空間還是飄浮著幾個(gè)氫原子,偶爾有一兩個(gè)氫原子飄進(jìn)袋子里也并非完全不可能。就物理理論而言,似乎不可能把袋子清得比這更空了,所以我還是就此舉手投降吧。

        沒錯(cuò),或許想盡一切辦法可以成功捕捉到袋子里最后幾個(gè)游離的氫原子,但我突然意識(shí)到這一切全都是徒勞無益的。

        “空”這一概念長(zhǎng)久以來一直都是困擾著世界各國思想家的難解之謎。簡(jiǎn)單說來,如何定義“空”就是一個(gè)大問題。如果你我之間空無一物,不存在任何別的東西,那么我們就是彼此相鄰的。從語義學(xué)看,“空”就意味著不占據(jù)任何空間。

        亞里士多德等古代思想家認(rèn)為自然界不存在真空,因?yàn)槊芏容^大的物質(zhì)總是會(huì)立刻填滿一切空隙,據(jù)說亞里士多德關(guān)于這個(gè)問題說過一句名言:“自然憎惡真空?!睂?shí)際上他對(duì)此還有進(jìn)一步的闡釋,表示虛空在概念上是不可能實(shí)現(xiàn)的,因?yàn)槭澜缟喜⒉淮嬖凇盁o”這種東西。他據(jù)此認(rèn)定物與物之間的空間填滿了一種看不見的介質(zhì)。德謨克利特的觀點(diǎn)與之相反,認(rèn)為世界只有原子和虛空。一向文風(fēng)刻薄的他曾經(jīng)這樣寫道:“除了原子和虛空,其他一切都是不存在的,有的只是觀點(diǎn)?!?/p>

        這場(chǎng)關(guān)于“物質(zhì)與物質(zhì)之間到底有什么”的爭(zhēng)論兩千年后仍在繼續(xù)。牛頓認(rèn)為填滿空間的是一種沒有摩擦力的無形介質(zhì),為常規(guī)運(yùn)動(dòng)定律提供運(yùn)作的框架。萊布尼茨則認(rèn)為宇宙的固體物質(zhì)足以構(gòu)成運(yùn)動(dòng)定律的運(yùn)作框架,其他的一切都是虛無的空間。

        與此同時(shí),伽利略和托里切利均以實(shí)驗(yàn)證明了真空這一物理狀態(tài)的存在。他們將裝滿水(之后改用水銀)的玻璃管倒置于水(水銀)槽中,水面下降后玻璃管上端出現(xiàn)一段空間,因?yàn)檎麄€(gè)操作過程中玻璃管內(nèi)沒有進(jìn)過空氣,沒有水的部分一定是真空狀態(tài)。后來的一些實(shí)驗(yàn)證明,這一真空狀態(tài)也并非一成不變,如果將實(shí)驗(yàn)裝置帶到山上,隨著大氣壓力的降低,真空空間就會(huì)變大。如果物理變化能夠改變真空的狀態(tài),則可推定其必具物理屬性。

        此后幾個(gè)世紀(jì),科學(xué)家們不斷改善該實(shí)驗(yàn),所獲得的物理真空效果也越來越好。但是盡管如此,沒有人真正了解什么是真空。原子之間存在某種隱形介質(zhì)的觀點(diǎn)在后來提出的“以太”這一概念中得以延續(xù)。很多科學(xué)家都認(rèn)為以太是傳送光波和電磁所必需的一種神秘介質(zhì)。阿爾貝特·邁克爾遜(Albert Michelson)和愛德華·莫雷(Edward Morley)于1887年做過一次著名的物理實(shí)驗(yàn),證明不存在任何形式可測(cè)量的以太(絕對(duì)靜止參考系)。由此看來,我的空袋子或許還真的有可能是空的。

        隨后又出現(xiàn)了量子科學(xué),進(jìn)一步顛覆了虛空這一概念。量子理論認(rèn)為電子等粒子并不只存在于一個(gè)位置,所有的粒子和場(chǎng)均為波動(dòng)的概率。就算我的袋子能夠做到完全密閉,與外部宇宙隔離,袋子里貌似除了“完美真空”之外別無他物,但里面還是會(huì)有電場(chǎng),有相互作用的夸克。盡管總的電能量平均為零,該真空能量[1] 還是可以測(cè)量的。

        因此,我的這個(gè)完美真空袋實(shí)際上是量子能量的一種“沸騰發(fā)酵”,波與粒子不斷出現(xiàn)、消失,能量持續(xù)波動(dòng),達(dá)到最低點(diǎn)的時(shí)候即被稱為真空狀態(tài)。但就算是在真空狀態(tài),能量也還是存在的。

        有些理論認(rèn)為我們所處的宇宙只不過是一種真空能量的波動(dòng),和量子真空中的粒子一樣源自虛無。在莎士比亞的著名悲劇《李爾王》中,老國王對(duì)考狄利婭說:“沒有只能換來沒有”,以此懲罰不愿用甜言蜜語換取老父親賞賜的小女兒。事實(shí)證明他是錯(cuò)的,就像宇宙的發(fā)展,“無”中的確生出了“有”。問題是,這種“有”是一種波動(dòng)性的存在,因此很有可能會(huì)重新歸于“無”,很有可能像肥皂泡一樣破滅。因此,這個(gè)袋子很有可能會(huì)在某一時(shí)刻變空,就像宇宙一樣歸于虛無,直到再次出現(xiàn)另外一個(gè)宇宙。誰知道呢,在此之前袋子有可能已經(jīng)空過幾百萬次或幾十億次,宇宙也有可能已經(jīng)消失過幾百萬次或幾十億次。

        【注釋】

        [1]實(shí)際上,科學(xué)家們?nèi)缃裾J(rèn)為空間內(nèi)充滿真空能量,其產(chǎn)生的壓力導(dǎo)致宇宙反重力發(fā)展。近年來,遠(yuǎn)距離超新星的發(fā)現(xiàn)顯示宇宙的擴(kuò)張不僅沒有減速,反而越來越快,其原因或可歸于這種黑暗的真空能量。

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