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我们为什么看不到一片纯能量的宇宙?

发布时间:2022-08-13 03:58:45

应该反问一下自己,它既然是纯能量,就具备无法可视的属性,如果你可以发现它,那么它必然以某种形态出现,那么它就不再是纯能量了,能量变为这种物质形态的一种属性。

因此,或许我们身处其中而不自知,因为我们发现不了纯能量,或者说目前还没有找到发现的办法!引起宇宙的膨胀的能量可能就是纯能量,所以暗物质是最佳候选人。或许有一天我们可以创造时空,才能知道它到底是什么样的存在!

图:在大型强子对撞机的小型介子螺线管探测器上希格斯玻色子被发现。

这次高能碰撞说明了能量转换总是以粒子的形式存在。

能源扮演着重要的角色,不仅在日常生活中,在基础物理学中也是如此。汽油中储存的化学能可以转化为动能推动汽车前进,恒星中原子核相结合可以释放光和热,以及中微子。能量似乎总以属性的形式存在,是否有什么物质就是能量,只有这一种属性,或者说能量就是它本身?

能量是粒子的一种特性从根本上说,能量可以有多种形式。

图:在标准模型中的已知粒子,都是被直接发现的基本粒子;除了少数玻色子外,所有粒子都具有静态质量。

平常接触到的能量主要形式是质量。是的,质量也是能量的一种,这是爱因斯坦质能等价方程E = mc2,告诉我们的。物体都是由大量的粒子组成的,粒子有质量就等于有能量。运动的粒子还具有动能,或者说运动的能量。

图:氢原子中电子跃迁与所处能级不同产生的光子具有的能量(波长)不同

粒子以多种方式结合在一起,形成更复杂的结构,组成了世界的万物,大到宇宙天体,小到原子核。

图:氢聚变成氦

这种相互结合的能量被称为结合能,但结合能其实是负值,结合的过程中也是释放能量的过程,也就是1+1<2,这也是恒星中原子核与原子核结合释放出大量光和热的原因,通过根据E = mc2,只要知道恒星失去的质量就可以算出恒星释放的能量。

图:从太阳诞生起到现在,由于核聚变向外释放能量,它已经失去了一个土星的质量。

太阳释放能量的另一个例子:它以光子的形式向外界释放光和热,这种传递能量的方式,与其他形式不同,因为光子并没有静质量。像光子、胶子和引力子(假如有),都以光速运动,能量体现为动能,在胶子的例子中,胶子负责原子核和质子内部的结合能。

图:质子中夸克通过相互作用

那么能量本身是否可以独立于这些粒子而存在?

能量以辐射的形式存在

图:双星环绕

几十年来,科学家一直在观察双星(中子星)环绕。通过对双星的定期测量,可以发现一些双星中的脉冲星会向我们发送非常有规律的脉冲。我们能够从中探测到它们的轨道相互旋转,并且逐渐衰减。当结合能增加时一定会释放能量,并以某种形式辐射出去。但科学家发现我们只能探测轨道的衰变,探测不到能量的辐射。

图:广义相对论预测了双星轨道衰变和引力辐射——引力波

2015年9月14日,LIGO首次探测到来自黑洞合并产生的引力波。在那一天,两个黑洞相互旋转靠近,巨大的引力波在它们合并时冲天而起。黑洞质量分别为36倍和29倍太阳质量,合并后的最终质量是62个太阳质量,丢失的三个太阳去哪了?

图:2015年9月14日黑洞合并的数据,在合并过程中,有三个太阳质量消失了。

三个太阳以引力波的形式发射出来的,科学家探测到引力波的大小正好可以弥补三个太阳的大小。引力波再次得到了证实,爱因斯坦的等价方程E = mc2,以及能量可以作为某种粒子(引力子,尚未证实)或物理现象的形式存在。

能量有多种形式,其中一些形式是基本的。一个粒子的静质量等价的能量不会随时间改变,粒子之间的能量也一样,它是宇宙中所有事物固有的一种能量,但能量都是相对的。激发态的原子比基态的原子拥有更多的能量,因为结合能的不同。想要转换到低能态,就要释放光子,因为能量守恒。而能量需要被粒子携带,并无法独立存在,能量即使是转变为无质量的粒子的动能也只是粒子的一种属性。

光子没有质量,只有能量

图:光子(紫色)携带的能量是另一个光子(黄色)的一百万倍。即便如此两个光子速度却相同

光子是种很奇怪的粒子,它的能量是相对的,取决于观察者的状态。如果向着光子靠近,你会发现它的能量似乎更大(蓝移),如果你远离它,它的能量会变小,出现红移。

图:红移与蓝移

不过,即使能量是相对的,但是对于任何观察者来说,它却总是守恒的。无论相互作用是什么,能量都不可能以单独的形式存在,而只能是粒子的一部分,无论是大质量的还是无质量的。

图:能量可以从一种形式转化为另一种形式,甚至可以从静止质能转化为纯动能,但它总是以粒子的形式存在。

暗能量然而,有一种形式的能量可能根本不需要粒子——暗能量。导致宇宙加速膨胀的能量形式很可能是宇宙结构本身固有的能量!这种对暗能量的解释是自洽的,与我们所看到的遥远、后退的星系和类星体的观测结果相吻合。

据我们所知,这种形式的能量既不能用来创造或毁灭粒子,也不能相互转换成其他形式的能量。它的能量似乎就是它自己,与宇宙中存在的其他形式的能量没有联系。

图:没有暗能量,宇宙就不会加速。但是没有办法通过宇宙中的其他粒子来获得能量。

总结因此,对于是否存在纯能量这个问题的完整答案是:

对于所有存在的粒子,无论是质量大的还是质量小的,能量只是它们的一种属性,不能独立存在。对于所有在系统中能量丢失的情况,比如利用引力衰变,通过某种辐射形式带走能量,使其守恒。暗能量本身可能是最纯粹的能量形式,独立于粒子而存在,但就宇宙膨胀以外的任何影响而言,宇宙中的其他一切都无法获得这种能量,所以我们很难“逮住”它们!据我们所知,能量不是我们可以在实验室中分离出来的东西,是物质、反物质和辐射都具有的许多特性中的一种。创造独立于粒子的能量是宇宙本身在所做的事情,但在我们学会如何创造(或摧毁)时空之前,我们自己并无法做到。

不是看不见,而是你视而不见。

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