即使移除宇宙中所有的物质和能量,空间本身也并非真正的“虚无”。空间固有的零点能量(或暗能量)导致宇宙持续膨胀。这种膨胀形成了一个宇宙视界,限制了我们能观测和通信的范围,其原理类似于黑洞的事件视界。正因为这个视界的存在,宇宙会不可避免地产生一种持续的、低能量的背景辐射。因此,无论是在遥远的过去(如大爆炸前的暴涨时期)还是未来,宇宙都永远无法达到绝对零度或完全空无的状态。
宇宙无法被清空
一个普遍的误解是,如果我们能以某种方式移除宇宙中的所有粒子和能量,剩下的将是绝对零度的“空无”。然而,物理现实并非如此。宇宙的根本属性之一是它在不断膨胀,而这个膨胀过程本身就会自发地、不可避免地产生新的能量。
即使我们人为地将宇宙变得“空旷”,它膨胀的事实本身就会产生辐射。宇宙永远不会是真正空的。
空间固有的能量
即便清除了所有物质和辐射,空间本身依然存在一种基础能量,这与几个关键概念有关:
- 零点能量: 这是量子场论中的一个概念,指即使在最低能量状态下,空间也充满着能量。你无法从中提取更多能量来做功。
- 暗能量: 这是我们目前观测到的导致宇宙加速膨胀的能量形式。它被认为是空间本身固有的一种属性。
这种能量密度非常小,大约相当于每立方米空间有一个质子的能量。然而,随着宇宙膨胀,新的空间不断产生,这种能量的总量也随之增加,不像物质和辐射那样会被稀释。
视界如何产生辐射
理解宇宙为何无法空无一物的关键在于“视界”的概念,它可以类比黑洞。
黑洞的事件视界: 这是一个边界,任何物质或信息一旦进入就无法逃逸。史蒂芬·霍金发现,事件视界附近的空间曲率差异会导致黑洞向外辐射能量(霍金辐射),并最终蒸发。能量来自于黑洞本身的质量。
宇宙的宇宙视界: 我们的膨胀宇宙也有一个类似的边界。由于空间膨胀的速度,存在一个距离极限(目前约180亿光年),我们现在发出的光永远无法到达该极限之外的区域。这个通信极限就是宇宙视界。
正如黑洞的事件视界会产生霍金辐射一样,宇宙视界的存在也必然会产生辐射。
这种由宇宙膨胀产生的辐射能量极低,其温度约为 10⁻³⁰ K,远低于当前的宇宙微波背景辐射,但它确实存在。
过去与未来:永不空寂的宇宙
这个原理不仅适用于现在和未来,也适用于宇宙的极早期。
宇宙暴涨时期: 在热大爆炸发生之前,宇宙经历了一个极速膨胀的阶段,称为暴涨。当时宇宙由一种能量密度极高的场主导,其性质类似于今天的暗能量。这个过程同样会产生一个宇宙视界和相应的背景辐射。
遥远的未来: 随着恒星燃尽、黑洞蒸发,宇宙将变得极其寒冷和稀疏。然而,只要暗能量继续驱动宇宙膨胀,宇宙视界就会一直存在,那微弱的背景辐射也将永远存在,阻止宇宙达到绝对的空无。
结论很简单:只要空间本身具有内在能量并导致膨胀,宇宙就永远无法被彻底清空。物理定律本身就排除了一个真正“虚无”的宇宙存在的可能性。