真空真的是空無一物嗎？人類在追求真空這件事上都做了哪些努力？

​審核專家：吳寶俊

理論物理博士

在日常生活中，我們經常聽到「真空」這一詞。如開水瓶通過兩層玻璃壁之間的真空環境對內部進行保溫；在宇宙的真空環境中，太空人必須穿上太空衣才能安全地進入外太空……

如上圖，我們用塑膠袋包裹住食品，抽成真空進行保存，可以減少熟食、肉類與空氣的接觸，從而延長食品的保質期。

那麼，真空真的是什麼都沒有嗎？人們為了獲得真空條件又進行了哪些探索呢？

什麼是真空？

從字面上講，真空就是一種虛空的狀態，即什麼都沒有的空間。

然而，現實中並不存在絕對的真空。通常認為，空氣壓強低於標準大氣壓值時，就達到了真空。人們還引入了真空度的概念來描述真空的程度，而壓強正是衡量真空度的標準。

最早的有記載的真空科學實驗可以追溯到1643年的託裡拆利實驗。義大利科學家託裡拆利首先將1m長的裝滿水銀的玻璃管倒插進入水銀槽內，一段時間後，水銀柱高度下降到760mm，玻璃管上方即形成了一段長度為240mm的真空環境。

託裡拆利實驗首次向我們展示了真空的實驗室獲得方法，並且定量地給出了一個大氣壓（1 atm=1.013×10^5Pa）所能支撐的最大水銀柱高度為760mm。

真空等同於「空無一物」嗎？

然而，真空真的像我們肉眼所見的那樣空無一物嗎？日常中我們所見的真空環境到底有多「空」？

我們通常所說的真空包裝只是用塑料膜將食品包裹住，再將其中的空氣抽出。這樣做能達到的真空度並不高，空氣中的許多成分是無法被抽乾淨的。

即使是用工業級的真空機抽提氣體，在每立方釐米的空間裡仍然會留下數億個原子。

我們認為最自然的真空環境是外太空，在那裡空氣含量極低。數據顯示，月球表面的真空度在10^-10至10^-12Pa之間，屬於極高真空度範圍。不過，即使是這樣稀薄的空氣，每立方釐米的月球表面的空間中仍然存在著100個氫分子。

我們假設將這部分原子和分子去掉，外太空就能稱得上完美的真空環境了嗎？

並不是，即使除去這部分分子和原子，宇宙中還充斥著大量的輻射，來自宇宙中的輻射每時每刻都在照射或穿透著我們的身體。

因此，即使真空度無限接近於零的外太空，也絕對不是「空無一物」的，我們能做的只是儘可能地降低系統中空氣的含量，使其更加接近真空狀態。

那麼，假想外太空有一個能屏蔽所有輻射的容器，並且裡面沒有一個原子，它能實現絕對的真空嗎？

很可惜依然不能，由於量子漲落的存在，這個容器內依然不可能是完全的空無一物的。

馬德堡半球實驗

真空在我們的生產生活中有著極為廣泛的應用，低真空獲得的壓力差可以用來提升、運輸物料，吸塵和過濾；中真空可以在活躍金屬的冶煉過程中用來隔絕空氣；而高真空為晶片製造、加速器運行、質譜儀分析等提供合適的環境。從低真空到高真空，離不開人們對於真空技術的探索。

早在1602年，德國人便開始利用水泵和空氣泵獲得真空，真空度可達到33Pa。1650年，德國的奧託·馮·格裡克製成了第一個活塞式真空泵，並用它進行了著名的馬德堡半球實驗。

1654年，馬德堡市郊的廣場上格裡克正準備進行一場大型試驗，圍觀的人群熙熙攘攘，熱鬧非凡，格裡克和助手用自製的活塞式真空泵將兩個直徑約為35.5cm的緊密貼合在一起的銅半球抽成真空，找來馬夫分別趕著左右兩邊各4匹馬來扯著銅球。

在格裡克的一聲令下，4個馬夫揚鞭催馬，背道而拉。在人們「加油」、「加油」的吶喊聲中，馬匹卻無論怎樣都無法將銅半球拉開。

格裡克又在兩邊各增加了人馬，8個馬夫，16匹馬再次卯足了勁兒拉，只聽「啪」的一聲巨響，16匹馬終於將銅半球拉開。

馬德堡半球實驗使世人們終於相信了真空的存在，證明了由於銅球內的空氣粒子數量銳減，球外的大氣壓強會對半球產生極大的作用力。馬德堡半球實驗成功以後，世界上越來越多的科學家們開始了對真空技術的探索之旅。

探索真空——真空泵的發展

1855年，德國的吹玻璃工人蓋斯勒根據託裡拆利試驗原理製成了迴轉水銀真空泵。這種真空泵利用水銀，反覆抽走容器內的空氣，每次抽取都會使容器內的壓強降低一些，如此往復，一步步形成真空環境。

迴轉水銀真空泵能使密閉容器內的真空度達到13Pa。此後，託普勒泵，斯普倫格泵在蓋斯勒迴轉水銀真空泵的基礎上又進行了改進。

20世紀初期，各種類型的油封機械真空泵陸續出現，它利用油來保持內部部件之間的密封，依靠泵腔容積的變化將空氣不斷地排出。

油封機械真空泵按照結構形式可以分為定片式、旋片式、滑閥式、餘擺線式。一般的油封真空泵可實現1.3Pa的真空度，一些雙級的旋片的泵可實現0.1Pa的真空度。

>>>>定片式機械真空泵

1911年，德國人蓋德率先發明了分子真空泵，與油封式機械泵不同的是，蓋德德分子真空泵並不依靠泵腔容積的變化進行抽氣，而是通過高速運動的剛體表面向氣體分子傳遞動力，促使氣體分子定向流動，達到抽氣的目的。

分子真空泵相較於油封機械真空泵具有一定的優勢，理論上能達到的真空度更高。但在實際操作過程中，分子真空泵也存在抽速小、密封性差、易出現機械故障等缺點，因而在分子泵出現的早期，並沒有得到廣泛的應用。

>>>>分子真空泵

1913年，蓋德又研製出了擴散泵，這是一種藉助水銀蒸氣流的定向擴散作用來產生高真空的裝置，可以獲得10^-9Pa甚至更極致的真空度。

擴散泵因其設計簡單、價格低廉、能產生高真空度的優點，在活潑金屬冶煉、塑料的裝飾鍍膜、微電子器件製造等方面有著廣泛的應用。

事實上，人們對於擴散泵的優化和改造從未中斷。1916年，朗格繆爾（Langmuir）發明了凝結泵，使泵蒸汽流的擴散方向與被抽氣體分子擴散方向一致，彌補了擴散泵抽速低的缺陷。

1928年，伯奇（C. R. Burch）在擴散泵上開始使用油作為工作介質。

1935年，希克曼（K.C.D.Hickman）申請了分餾式油擴散泵的專利，進一步提高了擴散泵的抽速與極限真空度（10^-2至10^-5Pa）。

時至今日，一系列的改造使擴散泵已經成為目前獲得高真空最廣泛、最主要的工具之一。

①②③④表示氣體被壓縮抽走的過程

（1.蒸汽流 2.蒸汽流導管 3.氣相加熱器 4.水管 5.前置擋油板 6.分餾槽 7.加熱器 8.接機械泵 9.接被抽容器 10.氣體 11.鼓形泵殼 12.泵液）

上圖即為油擴散泵的運行原理圖。擴散泵噴口中噴出的高速氣流，在分子流條件下，氣體分子不斷向蒸汽流中擴散，被蒸汽流帶到泵出口處，然後逐級被壓縮，由此獲得真空。

1948年，大量的尖端技術開始湧現，人們不再滿足於高真空狀態。離子泵的出現使人們能夠獲得超高真空（10^-5至10^-10Pa）。

1950年左右，吸氣材料被廣泛應用於真空獲得，Ti升華泵的發明使真空獲得技術開始由宏觀轉向微觀尺度。

1970年左右，分子抽氣泵得到了進一步的改進，發展成為渦輪分子泵，可以代替擴散泵獲得高真空、超高真空。

人們對於真空的探索是一個從表觀到本質，從簡單到複雜，從宏觀到微觀的過程。幾百年來，真空技術的發展離不開歷代科學家們「上下求索」的科學研究精神，而未來真空技術新的發展也等待著你我的探索與創造。