牛顿的以太物质和狄拉克之海有什么共同之处吗?他们都是在说真空吗?
“以太”与“狄拉克之海”本质上区别还是蛮大的。虽然它们都是想表达占据宇宙空间的某种均匀物质,但“以太”完全源于思辨的假想,而“狄拉克之海”则源于数学公式基础上的推导假设。
什么是“以太”?
以太和绝对时空一样,是19世纪前,欧洲学者根深蒂固的一种观念。以太,英文ether这个词最早来源于亚里士多德,他认为宇宙中除了“水、火、气、土”之外,还应该有一种充斥天空上层的物质。
后来随着科学的发展,以太这种假想的物质被注入了新的内涵,即光的传播介质。 之所会有这样的认知,是因为人们所熟悉的波,如声波、水波都有自己的传播介质,于是当时人们认为同样可作为波来看的光,也应该有自己的传播介质。
此时,以太就被想象为一种透明且稀薄的弹性粒子。就连已经从电磁波理论中,推导出以太纯属多余的麦克斯韦也对以太深信不疑。
但后来随着“ 光速之谜 ”的解开,宣告了“ 以太说 ”的终结。
什么是“狄拉克之海”?
迪拉克之海,是狄拉克为了证明其反物质的预言,而建立的一个大胆的宇宙真空假设。
1927年,只有25岁的狄拉克将薛定谔的波函数,结合狭义相对论,创造了狄拉克方程。从这个方程中就可以求出负数的解,这被当时物理学界的人认为是不合理的解而舍弃,只有狄拉克本人坚持这些解具有合理性,也就预示了反物质的存在。
于是,他建立了一套真空设想。 他认为,真空并非一无所有,真空应该也有自己的能量。真空由负能量的电子组成,这些负能电子均匀地填满所有空间,如一片汪洋大海,这就是“迪拉克之海”。
我们之所以觉察不到真空的能量,是因为这个负能电子太均匀了,没有能量差,我们自然检测不到任何负能量。如果一个负能量的电子被扰动,电子从负能级上被激发出来,就会在原有位置留下一个“空穴”,“空穴”表现为负能量不足,即为正能量,也就是一个正电荷的电子。而正电子就是反电子,这就是狄拉克关于反物质的预言。
当时,这种想法在物理学界可谓是大逆不道,海森堡称其为“现代物理学中最悲哀的一幕”。不过,没等多久1932年,美国物理学家卡尔·安德森就在云室观测宇宙射线时发现了正电子,狄拉克就这样“啪啪啪”打了所有质疑者的脸。
云室里正负电子路径。
“以太”与“狄拉克之海”最终都是为解释“真空”的奥义。
“真空”本来是指没有任何物质的理想空间,基于“一无所有的虚空 ”这一物理图景建立的概念。然而现在越来越多的实验与理论都揭示了“真空不空”。真空成为了一个具有一定物理性质和物理结构的物理实在。
在爱因斯坦看来,时空并不是一个可以脱离物质而独立存在的东西,并不是物体存在于空间中,而是“ 空间 ”这个物体具有空间广延性。
而“狄拉克之海”是人们真正第一次认识到“真空不空”的开端。在“狄拉克之海”的概念延展下,才有了后来的量子场论,真空也变成了拥有众多基本粒子的复合基态场,场是比粒子更基础的东西。粒子只是场的激发态而已。
在量子场论中,所有场都处于基态的空间就叫真空。基态虽然代表着空间里没有任何实粒子,但并未代表着真空的平静。
由于量子不确定性,在普朗克尺度下,能量的不确定性很大,空间里不停地产生正反虚粒子对,然后又相互湮灭返还能量,这称为“真空涨落”。
真空涨落揭示了真空与物质之间的深刻联系,预示着真空是一切自然物质产生及变化的根本源头。
如果真空有颜色,那它一定是一片泛着各色量子泡沫的奇异海洋。地球就是一个物质丰富的海底龙宫。
自从人类有了抽象的思维,就始终在不停地追问,物质之间的空隙是什么?因为,作为物理对象的物质,我们是能够感觉得到的;而作为物理背景的空间,则是看不见、摸不着的。
然而,虽然空间是无法被直观地感受到的,但人们始终认为其是存在的。否则的话,物质之间是如何产生相互联系和相互作用的呢?
在远古时期,人类的认识只限于模仿现象,是人神合一的混沌世界。到了古希腊时期,抽象的思维使人类的认识具有了不同的概念。
于是,与物质对应的空间是什么,就始终缠绕着人类的思维。于是,人类超越于现象,发挥自己的想象力,来构建空间的概念。
根据地心说的观念,亚里士多德认为地球