“真空的真空”的存在性问题
摘要：许多科学家包括诺贝尔奖获得者李政道教授都预言，真空是未来物理学的一个重要研究对象。十七世纪的伽利略时代人们曾讨论过“真空”是否存在的问题?当时的学术界分成两派，一派以帕斯卡为代表，认为真空存在，另一派以笛卡尔为代表，认为真空不存在，最后实验证明“真空存在派”正确。现代研究表明，真空并非一无所有，这样就产生了一个新的问题“排除了真空物质后的空间”，即“真空的真空”是否存在?本文探讨了与“真真空”有关的问题，提出了一些观测实验方法，这些方法可以帮助我们最终解答“真真空”的存在性问题。
关键词：真空 真真空 物理学 物质空间 宇宙学
1. 引言
许多科学家包括诺贝尔奖获得者李政道教授都预言[1]，真空是未来物理学的一个重要研究对象。在十七世纪的伽利略时代人类还不知道真空是否存在，当时的学术界分成两派，一派认为真空存在，以帕斯卡为代表，一派认为真空不存在，以笛卡尔为代表，最后通过一系列实验“真空存在派”胜出[2,3,4]。当时的科学家认为的真空是一无所有的空间，但现代研究表明，真空并非一无所有，其中包含了丰富的物质内容，如：宇宙背景辐射、引力场、宇宙射线、暗物质、暗能量等等[5,6,7]。那么如果在真空中移除这些真空物质后，余下的空间，即“真空的真空”或称“真真空”是否存在?我们面对了十七世纪科学家面对的同样问题，本文探讨了与“真真空”有关的问题，提出了一些观测实验方法，这些方法可以帮助我们最终解答“真真空”的存在性问题[8,9]。
2. “真真空”的定义
可以从两个方面给“真真空”下定义，(1)从宇宙膨胀的角度考虑，随着宇宙的膨胀，宇宙空间的平均能量密度变小，如果宇宙无限膨胀，那么其中的真空场物质的密度也会趋向0，所以可以定义，“真真空”是：有限真空空间无限膨胀的最后状态;(2)另一种方法是仿照“真空”概念的定义，首先定义什么是“容器空间”，如果在地球表面设想一个立方体，其中可以包含气体、液体或固体等普通物质，将这些物质从这个立方体中移去，那么剩下的空间就是这些有质物质的容器空间，所以“真空”的定义是：有质物质的容器空间。真空并非一无所有，其中至少存在各种“场物质”，如：宇宙背景辐射、引力场等，所以“真真空”的定义是：真空场物质的容器空间。
3. 产生“真真空”的方法
“真空”的存在性最后是通过实验证明的[2]，所以“真真空”的存在性也只能由实验判决。可能产生“真真空”的方法有许多，本文列举四种，下面分别阐述。
(1)真空空间膨胀法：如果能使一个有限真空空间迅速膨胀至无限大，那么这样的空间就是真真空。显然就可实现性而言，膨胀至无限大是不可能的，但如果真空空间迅速膨胀，就可以在一定时间内得到具有一定 “真真空度”的“真真空”空间。特别是利用一些猛烈的爆炸可能产生短暂的“真真空”空间，如黑洞或超新星爆炸。这和在空气中炸药爆炸会产生短暂的真空空间的原理一样。
(2)双黑洞分离法：设想有两个黑洞，开始它们靠得很近，由于黑洞会使空间弯曲，两个靠近的黑洞会使它们之间的空间向相反方向弯曲，如果让两个黑洞迅速分离，那么在两个黑洞之间的中心区域就会产生“真真空”。
(3)真空物质移除法：历史上真空空间的获得就是采用抽真空方法。如果要在“真空”中获得“真真空”，必须创造一个屏蔽空间，将所有的真空物质都屏蔽在外，这样得到的空间就是真真空。但到目前为止人类还没有可以屏蔽引力场的方法。
(4)外宇宙存在证明法：这是一个间接方法。地球上获得真空是很困难的，但如果我们走出大气层，那么宇宙空间到处是真空空间。出于同样的考虑，如果多宇宙理论成立，那么外宇宙和我们宇宙之间的空间就是“真真空”。所以只要能证明外宇宙存在，那么“真真空”存在就成为自然的事。
4. 笛卡尔-爱因斯坦公理
对于空间和物质的关系问题，历史上存在两种截然不同的观点(1)原子论观点，以德谟克里特、牛顿、玻尔兹曼为代表[6,10]。认为物质是不连续的，存在不可分的原子和一无所有的虚空，分立的物质基元原子，在一无所有的虚空中运动，原子之间除了碰撞外，其它作用都是超距作用，因为虚空不可能传递任何有限速度的相互作用。这一空间和物质关系模型，在历史上取得了巨大的成功，奠定了经典物理学的基础;(2)场论观点，以亚里斯多德、笛卡尔、爱因斯坦为代表[11,12,13,14]。认为不存在不可分的原子，所有的物质都是无限可分的，不存在一无所有的空间，存在的空间中都存在物质，所以空间和物质是不可分离的。只存在空间中物质的密度的疏密区别，而不存在可脱离物质而独立存在的空间。物质之间的相互作用是通过场来传递的，所有的相互作用都是以有限速度传播的。这一空间和物质关系模型，奠定了现代物理学的基础。
两种空间和物质关系模型：“原子模型”和“场模型”在一定条件下是可以统一的。在“场模型”中，假设凝聚态物质之间的作用场物质无限稀薄，通过场物质传递作用的速度近似为无穷大，这时“场模型”就可简化为“原子模型”。所以可以认为“原子模型”是“场模型”在一定条件下的近似。
现代物理学的研究表明，“场模型”更接近真实，所以麦克斯韦电磁场理论，相对论都是以“场模型”为基础[15,16,17]。从场模型可以得到一条公理：
笛卡尔-爱因斯坦公理：一无所有的空间不存在，存在的空间中都存在物质。
在物理学中如果将上述公理作为推理的逻辑起点，可以得到许多新的东西。首先，从笛卡尔-爱因斯坦公理第一个得到的就是“物质空间”的概念，因为空间中总存在物质，物质又总存在于空间中，所以空间和物质是不可分离的，为了表述方便，这样的空间称为“物质空间”。可以给“物质空间”下一个明确的定义，首先定义“理想物质空间”。
理想物质空间：充满无限小连续物质的空间。
真实的物质空间是：充满连续物质的空间。理想物质空间是真实物质空间在一定条件下的近似。真实的物质空间有：“水空间”、“空气空间”、“真空空间”，任何物体都存在于一定的物质空间中，没有例外，如：鱼生活在水中，人生活在空气中，星系运动在真空中。
物质空间可分层次，真空为空气的“容器空间”。真空并非一无所有，抽掉真空物质就得到真空的容器空间，即：“真真空”，根据笛卡尔-爱因斯坦公理，真真空也非一无所有，所以它一定也存在“容器空间”，以此类推，就形成了物质空间的层次结构。物质空间的层次结构模型，可以用“俄罗斯套娃”形象地比喻。描述物质空间层次结构模型的数学必然是高维的，所以“物质空间层次模型”可以作为“高维空间”的物理模型，高维空间是无法想象的，但物质空间是可以想象的。
历史上以太概念曾一度流行，但物质空间和以太是两个完全不同的概念，从来没有人把空气和水看成是以太，物质空间强调，空间中总存在物质，物体总在一定的物质空间中运动，没有例外。不需要对物质空间做任何强加的机械类比，所以物质空间不是以太。
5. 证明“真真空”存在的观测实验方法
前面列举了四种获得“真真空”的方法，但按现有的技术条件前三种方法都是无法实现的，只有最后一种方法有可能用现有的技术，通过观测实验实现，也就是通过观测实验证明外宇宙存在，具体有两种可行的方法(1)大爆炸DNA识别法;(2)类星体观测法。
(1)大爆炸DNA识别法：现在的“标准宇宙模型”认为[6]：宇宙来源于一次大爆炸，也就是现存的宇宙中的所有物质，如：恒星、星系、星系团等，都来自同一个母亲“宇宙大爆炸”。大家知道来自同一个母亲的兄弟姐妹，必然有相同的DNA基因。同理来自于同一个“宇宙大爆炸”的物质系统，同样一定具有一些共同的特征集，可以通过这些特征集中的特征识别物质系统是否是宇宙大爆炸的产物，所以“物质系统的宇宙大爆炸共有特征集”就是“大爆炸DNA”。
例如：大爆炸发生于137亿年之前，所以所有的星系中的恒星的年龄必须小于这个数值。这一特征就是大爆炸DNA中的特征之一。如果在宇宙的边缘，发现一个星系中的恒星的年龄为400亿年，那么可以肯定这颗恒星，甚至拥有它的星系不是大爆炸的产物。又如：大爆炸理论预言了宇宙中的轻元素丰度，如果发现一个星系的轻元素丰度严重偏离了理论预言，那么可以怀疑它是否来源于大爆炸。还有我们宇宙的总能量可能与其它宇宙不同，所以本宇宙的一些物理常数和其它宇宙也会不同，如：引力常数、光速、精细结构常数等，如果可以测量一个已观测到的类星体内的这些常数，和本宇宙中的常数比较，如果不同，说明这个类星体可能是外宇宙。
(2)类星体观测法：如果外宇宙存在，并能被望远镜观测到，那么它在望远镜中一定是一个类星体，因为外宇宙离我们很远，在望远镜中的像应该很小，但能量很大，所以会有许多奇异的能量现象。不过本宇宙的一些特殊星系核在望远镜中也是一个类星体，所以就必须要有能区分是本宇宙星系核还是外宇宙的方法，下面介绍一种可行的方法：
根据宇宙大爆炸理论[6,18]，大爆炸后约50～100万年左右，原子开始形成，宇宙中产生了大量的中性原子气体，光和物质的作用开始退藕，光可以在宇宙中自由穿行，宇宙开始变得透明，宇宙背景辐射就是这时候产生的，一直保留到现在。在随后的10亿年中，宇宙经历了一个物质凝聚、星系逐渐产生的过程。这10亿年将是观测外宇宙是否存在的最佳窗口。因为外宇宙有许多年龄远远大于我们的宇宙，如果用望远镜能追溯到大爆炸的这一时期，那么一定存在一个观测距离，在这个观测距离外，星系已不存在但外宇宙仍然存在，假设在这10亿年中的某个时间它们的光线正好进入我们的宇宙，并在本宇宙中传播，最终到达我们现在的望远镜中，就像宇宙背景辐射最终到达我们现在的天线上一样。所以在本宇宙的边缘，随着望远镜的观测距离逐渐变远，星系逐渐稀少，最终看不到星系和任何大爆炸后产生的天体，但可能会看见一些不变的类星体，因为这些类星体是外宇宙，外宇宙不会因为望远镜在本宇宙中的观测距离变远而消失。如果我们确实能观测到这样的类星体，这些类星体又不参与宇宙大爆炸后的演化，就可以判定这些类星体就是外宇宙。
6. 真真空物理学
如果“真真空”存在，就会产生一个新的物理学分支，真真空物理学。真真空中物质的运动规律显然会不同于“真空”中的物质运动规律，最显著的一条是：真真空中物体的最快运动速度可以超光速。在宇宙暴涨模型中[19]，我们宇宙的最外部边界是在真真空中膨胀，或认为宇宙内部的真空是在真真空中膨胀，所以暴涨可以超光速，这个问题在爱因斯坦相对论中是无法解释的，但在真真空物理学中可以自然地得到解释。
根据笛卡尔-爱因斯坦公理，真真空并非一无所有，所以物体在真真空中运动也存在极限速度，类比真空中的“光障”，可称为“真真空障”，假设这个速度为VS，则在真真空中的狭义相对论的洛伦兹变换为：
其中β为真真空马赫数，这样狭义相对论仍然可适用于真真空。
如果“真真空”不空，存在真真空场物质，那么各真空宇宙之间将存在相互作用，可将这种相互作用称为“超弱相互作用”或“真真空相互作用”，它们会通过真真空场物质传递。这种相互作用相对于真空中的四种已知的相互作用一定微弱得多，所以在真空中不需要考虑这种相互作用的影响;因此如果“真真空”存在，可能会存在第五种自然相互作用，人类现在无法感受，但整个真空宇宙可以感受到这种作用。
另外，在真真空中一个真空宇宙膨胀时，如果与外界没有能量交换，或能量交换与它的总能量相比可以忽略，那么这个真空宇宙在演化过程中的总能量守恒：
其中V是宇宙的体积，ρ是宇宙的平均能量密度，包括蕴涵在质量中能量，也包括蕴涵在空间中的能量。(2)式称为“宇宙总能量守恒定律”，它反映了宇宙演化过程中(膨胀或收缩)的整体数量关系[20]。
7. 总结
探讨“真真空的存在性问题”是寻找未来物理学的可能研究方向，无论最终结果是肯定还是否定，估计在本世纪或下世纪内会有结论。如果真能通过望远镜发现外宇宙，那一定是人类的又一个伟大发现，其意义将不亚于哥白尼提出“日心说”。
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