真空真的是空無一物的嗎？物理學家：跟想像的不太一樣

剛剛看到這樣一個笑話：「如果把你扔進真空環境裡，你會怎樣？」 「額，沒有信號，玩不了手機。」就像這個笑話一樣，關於真空的誤解還有很多。老郭大學是學物理的，應用物理專業，有好多實驗需是在真空環條件做的，比如阿發粒子轟擊實驗、濺射鍍膜實驗等等，所以對真空是有一定的了解的。這裡就帶您一起來了解一下物理學家眼裡的真空究竟是什麼樣。

一、近代物理對真空理解

其實人類很早就開始接觸真空了，最早的真空機械就是抽水泵。根據水泵技師們的發現，這種力的大小正好等於10米水柱的重量，如果超過這一重量就拉不動了。伽利略最早對真空做出解釋，他認為，水泵裡的水柱超過一定的重量時，水泵的活塞就無法繼續拉動水面上升，於是就在活塞和水面之間形成了真空。

對此，伽利略認為，自然具有厭惡真空的性質，因此為了避免出現真空，就會有一種力使得活塞能夠把水面拉上來。他把這種力稱為「真空力」。我們現在知道，伽利略的這種解釋是錯誤的。

1641年，伽利略的弟子託裡拆利做了一個著名的實驗，他在一根長玻璃管子內加滿水銀，然後很緩慢的將管口倒轉在一個盛滿水銀的盆內，管子內水銀柱的末端是 76 釐米高。這時玻璃管最上方無水銀地帶是真空狀態。

1651年，有人在帕斯卡的指導下，在一個高山上重做了託裡拆利實驗，帕斯卡根據現象給出了正確的解釋。即，所謂的真空力，實際上是大氣自身的重量對開放的液體表面所施加的壓力，也就是大氣壓。

1654年，格裡克利用自己研製的真空泵，抽空了用銅做的兩個空心半球之間的空氣，用16匹馬背向對拉兩個半球，馬最終竭盡全力才拉開。這就是著名的馬德保半球實驗。

馬德保半球實驗證明了大氣壓的存在，而球內經過抽氣後的空間被稱作真空。至此真正科學意義上的真空概念誕生了：即，在給定的空間內，低於一個大氣壓力的氣體狀態。

如果我們仔細研讀這個時期對真空的定義，可以發現，真空並不是什麼都沒有，而是還存在著稀薄的氣體。事實上，直到今天，科學家們都不能完全排除甚至是某一個小範圍內的空氣。

以老郭的實驗經歷為例，在阿發粒子轟擊實驗中，要提前抽真空，然而這個真空度只能低到一定的限度，就無法繼續了。這個時候，實驗環境中開始出現碳汙染，這是因為，用於給真空泵活塞密封的潤滑油出現了揮發現象，汙染了實驗環境的緣故。

二、現代物理對真空的理解

儘管物理學家們從來沒有在實驗室中得到過真正空無一物的真空環境，但很多近代物理學家們仍然堅持認為，這只是因為技術手段沒跟上。畢竟隨著技術的進步，實驗室中能獲得的真空度越來越低，有理由相信，空無一物的真空是有可能存在的。

PS：以抽出氣體的方式得到的真空稱作技術真空，而把空無一物，完全沒有任何粒子的技術真空極限稱為物理真空。

愛因斯坦是最早對物理真空的觀點提出質疑的科學家，他用場論觀點研究引力現象時，就認識到空無一物的真空觀念是有問題的，他曾提出真空是引力場的某種特殊狀態的想法。

賦予真空全新物理內容的是狄拉克。1928年，狄拉克把狹義相對論與量子力學相結合，建立了一個描述電子運動的方程，這個方程可以十分正確地描述電子的運動，與實驗結果非常符合。這一方程的解很特別，既包括正能態，也包括負能態。狄拉克由此做出了存在正電子的預言，認為正電子是電子的一個鏡像，它們具有嚴格相同的質量，但是電荷符號相反。

正是這個負能態的解讓當時的科學家們產生了質疑，因為當時的科學家們，從來沒有在實驗中觀測到過正電子。這讓當時那些堅持「只有以實驗為基礎，才能提出理論」的物理學家們對狄拉克方程產生了質疑，甚至這種想法連狄拉克本人也曾有過。

僅僅過去4年，1932年狄拉克的預言就被實驗證實了，美國物理學家安德森在研究宇宙射線在磁場中的偏轉情況時發現，宇宙射線進入雲室穿過鉛板後，軌跡確實發生了彎曲，而且，在高能宇宙射線穿過鉛板時，有一個粒子的軌跡和電子的軌跡完全一樣，但是彎曲的方向卻「錯」了。

這意味著，這種前所未知的粒子與電子的質量相同，但電荷卻相反，而這恰好是狄拉克所預言的正電子。當時安德森並不知道狄拉克的預言，他把所發現的粒子叫做「正電子」。第二年，安德森又用γ射線轟擊方法產生了正電子，從而從實驗上完全證實了正電子的存在。

那么正電子與真空之間有什麼關係呢？

大家都知道，自然界中物體的能量都是正的。鉛球從樓上扔出去會被加速、燃燒也會讓周圍的溫度升高。然而正電子與此相反，你給它一個力它會往相反的方向運動。這意味著，其實負能量已經是滿的，其中的道理就像河水總會流入大海，然後再通過蒸發和方式達到新的平衡狀態。

狄拉克就此認為，沒有任何實物粒子的空間是充滿著無數的正電子的海洋，正電子可以通過吸收足夠的能量之後轉變為負電子，爾後在正電子的海洋中留下一個空穴。狄拉克進一步認為，物理真空也可以由其它基本粒子的反粒子構成，比如反中子或反質子。

至此，狄拉克的理論終於被物理學家們所接受，新的物理真空概念誕生了——真空不空，在物理真空中，正、反粒子對可以不斷產生、消失、消失後再產生，這種變化過程時間極短，這些瞬息間產生的基本粒子被稱為虛粒子。

1948年，荷蘭物理學家亨德裡克·卡西米爾根據狄拉克「真空不空」觀念提出：真空中兩片不帶電的金屬板會出現吸力；這在經典理論中是不會出現的現象。這種效應只有在兩物體的距離非常之小時才可以被檢測到。

1996 年，物理學家首次對它進行了測定，實際測量結果與理論計算結果十分吻合。在亞微米尺度上，該效應導致的吸引力成為中性導體之間主要作用力，在10納米間隙上，卡西米爾效應能產生1個大氣壓的壓力。

卡西米爾效應實驗的成功，進一步證明了狄拉克所提出的「真空不空」的物理概念，加深了人類對於真空的理解。

三、物理學對真空理論研究的進展

現在科學家們已經知道正反粒子相互碰撞可以發射出光子，反過來，強光也可以從物理真空中打出粒子與反粒子。我們前面所說的質子、中子等並非 最基本的粒子，它們是由更基本的粒子——夸克組成，而夸克還又有六種類型。

質子、中子不能離開夸克而存在，從這個角度看上去，質子、中子就像一個囚禁夸克的物理真空口袋，這就是1974年提出的「口袋模型」。夸克之間由膠子來傳遞微弱的相互作用。當發生核裂變或者是核聚變時，可以看做是這樣的物理真空的口袋發生了分裂和合併。因此，在核反應過程中，找不到單個夸克。

這些由質子、中子組成的「口袋」的裡面叫做簡單真空，外面是物理真空，這樣在粒子的內部和外部就形成了兩種不同真空的「相」。這兩種相在一定的條件下可以相互轉換，就如水在不同的溫度壓力條件下可以有氣態、液態和固態一樣。

物理學家通過計算機模擬實驗表明，把物理真空「熔化」為簡單真空需要2萬億度以上的高溫。這種熔化的的真空在物理學上也被稱為「熔融真空」。目前在實驗室中，物理學家們可以通過高能粒子加速器，將質子與原子核的碰撞能量提高到幾百兆電子伏特，這相當於將原子核的局部加熱到了幾萬億度。不過由於質子很小，只能將原子核射穿一個洞，並不能將整個原子核熔化。

四、真空研究加深了人類對於宇宙演化的理解

目前科學家們仍然在努力提高對撞機的能量，希望能在實驗室裡完成熔融真空實驗。這不僅僅是為了檢驗目前量子力學中關於基本粒子結構的理論假設，還有一個原因是，熔融真空實驗還可以幫助科學家們理解宇宙的早期演化。

按照宇宙大爆炸理論，宇宙誕生於200億年前的一次爆炸，在爆炸發生的一瞬間，溫度遠超熔融真空所需要的溫度，所以早期宇宙應該是一鍋夸克和膠子的「粥」。隨著宇宙的膨脹，溫度逐漸降低，簡單真空開始轉化。熔融真空實驗，就是對這種早期宇宙演化的模擬，是理解宇宙演化的重要手段。

目前，熔融真空實驗的難度還是太大，還有大量的困難需要科學家們解決。然而面對宇宙演化這樣的課題，還有實驗中的這些困難，正是科學吸引我們的魅力所在。

結束語——真空不空，是激蕩的能量海洋

人類從接觸真空，利用真空來抽水，到開始科學地研究真空，我們的認識從氣壓小於大氣壓的真空，到空無一物的真空，再到今天的真空不空，科學一次又一次地為我們揭開真空的神秘面紗。

PS：希望您在讀本文的時候，能夠注意一點——科學家們提出來的觀點最後都需要有觀測或者實驗證據做支持，這樣的結論才能被科學家們所接受。即使強如狄拉克，也在缺乏實驗證據之前，遭到了同行的質疑。

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