剛剛看到這樣一個(gè)笑話：“如果把你扔進(jìn)真空環(huán)境里，你會(huì)怎樣？”“額，沒(méi)有信號(hào)，玩不了手機(jī)。”就像這個(gè)笑話一樣，關(guān)于真空的誤解還有很多。老郭大學(xué)是學(xué)物理的，應(yīng)用物理專業(yè)，有好多實(shí)驗(yàn)需是在真空環(huán)條件做的，比如阿發(fā)粒子轟擊實(shí)驗(yàn)、濺射鍍膜實(shí)驗(yàn)等等，所以對(duì)真空是有一定的了解的。這里就帶您一起來(lái)了解一下物理學(xué)家眼里的真空究竟是什么樣。
一、近代物理對(duì)真空理解
其實(shí)人類很早就開(kāi)始接觸真空了，最早的真空機(jī)械就是抽水泵。根據(jù)水泵技師們的發(fā)現(xiàn)，這種力的大小正好等于10米水柱的重量，如果超過(guò)這一重量就拉不動(dòng)了。伽利略最早對(duì)真空做出解釋，他認(rèn)為，水泵里的水柱超過(guò)一定的重量時(shí)，水泵的活塞就無(wú)法繼續(xù)拉動(dòng)水面上升，于是就在活塞和水面之間形成了真空。
對(duì)此，伽利略認(rèn)為，自然具有厭惡真空的性質(zhì)，因此為了避免出現(xiàn)真空，就會(huì)有一種力使得活塞能夠把水面拉上來(lái)。他把這種力稱為“真空力”。我們現(xiàn)在知道，伽利略的這種解釋是錯(cuò)誤的。

1641年，伽利略的弟子托里拆利做了一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)，他在一根長(zhǎng)玻璃管子內(nèi)加滿水銀，然后很緩慢的將管口倒轉(zhuǎn)在一個(gè)盛滿水銀的盆內(nèi)，管子內(nèi)水銀柱的末端是76厘米高。這時(shí)玻璃管最上方無(wú)水銀地帶是真空狀態(tài)。
1651年，有人在帕斯卡的指導(dǎo)下，在一個(gè)高山上重做了托里拆利實(shí)驗(yàn)，帕斯卡根據(jù)現(xiàn)象給出了正確的解釋。即，所謂的真空力，實(shí)際上是大氣自身的重量對(duì)開(kāi)放的液體表面所施加的壓力，也就是大氣壓。

1654年，格里克利用自己研制的真空泵，抽空了用銅做的兩個(gè)空心半球之間的空氣，用16匹馬背向?qū)瓋蓚€(gè)半球，馬最終竭盡全力才拉開(kāi)。這就是著名的馬德保半球?qū)嶒?yàn)。
馬德保半球?qū)嶒?yàn)證明了大氣壓的存在，而球內(nèi)經(jīng)過(guò)抽氣后的空間被稱作真空。至此真正科學(xué)意義上的真空概念誕生了：即，在給定的空間內(nèi)，低于一個(gè)大氣壓力的氣體狀態(tài)。

如果我們仔細(xì)研讀這個(gè)時(shí)期對(duì)真空的定義，可以發(fā)現(xiàn)，真空并不是什么都沒(méi)有，而是還存在著稀薄的氣體。事實(shí)上，直到今天，科學(xué)家們都不能完全排除甚至是某一個(gè)小范圍內(nèi)的空氣。
以老郭的實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷為例，在阿發(fā)粒子轟擊實(shí)驗(yàn)中，要提前抽真空，然而這個(gè)真空度只能低到一定的限度，就無(wú)法繼續(xù)了。這個(gè)時(shí)候，實(shí)驗(yàn)環(huán)境中開(kāi)始出現(xiàn)碳污染，這是因?yàn)椋糜诮o真空泵活塞密封的潤(rùn)滑油出現(xiàn)了揮發(fā)現(xiàn)象，污染了實(shí)驗(yàn)環(huán)境的緣故。
二、現(xiàn)代物理對(duì)真空的理解
盡管物理學(xué)家們從來(lái)沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)室中得到過(guò)真正空無(wú)一物的真空環(huán)境，但很多近代物理學(xué)家們?nèi)匀粓?jiān)持認(rèn)為，這只是因?yàn)榧夹g(shù)手段沒(méi)跟上。畢竟隨著技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)室中能獲得的真空度越來(lái)越低，有理由相信，空無(wú)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(shù)真空，而把空無(wú)一物，完全沒(méi)有任何粒子的技術(shù)真空極限稱為物理真空。

愛(ài)因斯坦是最早對(duì)物理真空的觀點(diǎn)提出質(zhì)疑的科學(xué)家，他用場(chǎng)論觀點(diǎn)研究引力現(xiàn)象時(shí)，就認(rèn)識(shí)到空無(wú)一物的真空觀念是有問(wèn)題的，他曾提出真空是引力場(chǎng)的某種特殊狀態(tài)的想法。
賦予真空全新物理內(nèi)容的是狄拉克。1928年，狄拉克把狹義相對(duì)論與量子力學(xué)相結(jié)合，建立了一個(gè)描述電子運(yùn)動(dòng)的方程，這個(gè)方程可以十分正確地描述電子的運(yùn)動(dòng)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常符合。這一方程的解很特別，既包括正能態(tài)，也包括負(fù)能態(tài)。狄拉克由此做出了存在正電子的預(yù)言，認(rèn)為正電子是電子的一個(gè)鏡像，它們具有嚴(yán)格相同的質(zhì)量，但是電荷符號(hào)相反。

正是這個(gè)負(fù)能態(tài)的解讓當(dāng)時(shí)的科學(xué)家們產(chǎn)生了質(zhì)疑，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的科學(xué)家們，從來(lái)沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到過(guò)正電子。這讓當(dāng)時(shí)那些堅(jiān)持“只有以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，才能提出理論”的物理學(xué)家們對(duì)狄拉克方程產(chǎn)生了質(zhì)疑，甚至這種想法連狄拉克本人也曾有過(guò)。
僅僅過(guò)去4年，1932年狄拉克的預(yù)言就被實(shí)驗(yàn)證實(shí)了，美國(guó)物理學(xué)家安德森在研究宇宙射線在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)情況時(shí)發(fā)現(xiàn)，宇宙射線進(jìn)入云室穿過(guò)鉛板后，軌跡確實(shí)發(fā)生了彎曲，而且，在高能宇宙射線穿過(guò)鉛板時(shí)，有一個(gè)粒子的軌跡和電子的軌跡完全一樣，但是彎曲的方向卻“錯(cuò)”了。

這意味著，這種前所未知的粒子與電子的質(zhì)量相同，但電荷卻相反，而這恰好是狄拉克所預(yù)言的正電子。當(dāng)時(shí)安德森并不知道狄拉克的預(yù)言，他把所發(fā)現(xiàn)的粒子叫做“正電子”。第二年，安德森又用γ射線轟擊方法產(chǎn)生了正電子，從而從實(shí)驗(yàn)上完全證實(shí)了正電子的存在。
那么正電子與真空之間有什么關(guān)系呢？
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(huì)被加速、燃燒也會(huì)讓周圍的溫度升高。然而正電子與此相反，你給它一個(gè)力它會(huì)往相反的方向運(yùn)動(dòng)。這意味著，其實(shí)負(fù)能量已經(jīng)是滿的，其中的道理就像河水總會(huì)流入大海，然后再通過(guò)蒸發(fā)和方式達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

狄拉克就此認(rèn)為，沒(méi)有任何實(shí)物粒子的空間是充滿著無(wú)數(shù)的正電子的海洋，正電子可以通過(guò)吸收足夠的能量之后轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)電子，爾后在正電子的海洋中留下一個(gè)空穴。狄拉克進(jìn)一步認(rèn)為，物理真空也可以由其它基本粒子的反粒子構(gòu)成，比如反中子或反質(zhì)子。
至此，狄拉克的理論終于被物理學(xué)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(duì)可以不斷產(chǎn)生、消失、消失后再產(chǎn)生，這種變化過(guò)程時(shí)間極短，這些瞬息間產(chǎn)生的基本粒子被稱為虛粒子。

1948年，荷蘭物理學(xué)家亨德里克·卡西米爾根據(jù)狄拉克“真空不空”觀念提出：真空中兩片不帶電的金屬板會(huì)出現(xiàn)吸力；這在經(jīng)典理論中是不會(huì)出現(xiàn)的現(xiàn)象。這種效應(yīng)只有在兩物體的距離非常之小時(shí)才可以被檢測(cè)到。
1996年，物理學(xué)家首次對(duì)它進(jìn)行了測(cè)定，實(shí)際測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果十分吻合。在亞微米尺度上，該效應(yīng)導(dǎo)致的吸引力成為中性導(dǎo)體之間主要作用力，在10納米間隙上，卡西米爾效應(yīng)能產(chǎn)生1個(gè)大氣壓的壓力。
卡西米爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的成功，進(jìn)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(duì)于真空的理解。
三、物理學(xué)對(duì)真空理論研究的進(jìn)展
現(xiàn)在科學(xué)家們已經(jīng)知道正反粒子相互碰撞可以發(fā)射出光子，反過(guò)來(lái)，強(qiáng)光也可以從物理真空中打出粒子與反粒子。我們前面所說(shuō)的質(zhì)子、中子等并非最基本的粒子，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(zhì)子、中子不能離開(kāi)夸克而存在，從這個(gè)角度看上去，質(zhì)子、中子就像一個(gè)囚禁夸克的物理真空口袋，這就是1974年提出的“口袋模型”?？淇酥g由膠子來(lái)傳遞微弱的相互作用。當(dāng)發(fā)生核裂變或者是核聚變時(shí)，可以看做是這樣的物理真空的口袋發(fā)生了分裂和合并。因此，在核反應(yīng)過(guò)程中，找不到單個(gè)夸克。

這些由質(zhì)子、中子組成的“口袋”的里面叫做簡(jiǎn)單真空，外面是物理真空，這樣在粒子的內(nèi)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(zhuǎn)換，就如水在不同的溫度壓力條件下可以有氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)一樣。
物理學(xué)家通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)表明，把物理真空“熔化”為簡(jiǎn)單真空需要2萬(wàn)億度以上的高溫。這種熔化的的真空在物理學(xué)上也被稱為“熔融真空”。目前在實(shí)驗(yàn)室中，物理學(xué)家們可以通過(guò)高能粒子加速器，將質(zhì)子與原子核的碰撞能量提高到幾百兆電子伏特，這相當(dāng)于將原子核的局部加熱到了幾萬(wàn)億度。不過(guò)由于質(zhì)子很小，只能將原子核射穿一個(gè)洞，并不能將整個(gè)原子核熔化。
四、真空研究加深了人類對(duì)于宇宙演化的理解
目前科學(xué)家們?nèi)匀辉谂μ岣邔?duì)撞機(jī)的能量，希望能在實(shí)驗(yàn)室里完成熔融真空實(shí)驗(yàn)。這不僅僅是為了檢驗(yàn)?zāi)壳傲孔恿W(xué)中關(guān)于基本粒子結(jié)構(gòu)的理論假設(shè)，還有一個(gè)原因是，熔融真空實(shí)驗(yàn)還可以幫助科學(xué)家們理解宇宙的早期演化。
按照宇宙大爆炸理論，宇宙誕生于200億年前的一次爆炸，在爆炸發(fā)生的一瞬間，溫度遠(yuǎn)超熔融真空所需要的溫度，所以早期宇宙應(yīng)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(jiǎn)單真空開(kāi)始轉(zhuǎn)化。熔融真空實(shí)驗(yàn)，就是對(duì)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(shí)驗(yàn)的難度還是太大，還有大量的困難需要科學(xué)家們解決。然而面對(duì)宇宙演化這樣的課題，還有實(shí)驗(yàn)中的這些困難，正是科學(xué)吸引我們的魅力所在。
結(jié)束語(yǔ)——真空不空，是激蕩的能量海洋
人類從接觸真空，利用真空來(lái)抽水，到開(kāi)始科學(xué)地研究真空，我們的認(rèn)識(shí)從氣壓小于大氣壓的真空，到空無(wú)一物的真空，再到今天的真空不空，科學(xué)一次又一次地為我們揭開(kāi)真空的神秘面紗。
PS：希望您在讀本文的時(shí)候，能夠注意一點(diǎn)——科學(xué)家們提出來(lái)的觀點(diǎn)最后都需要有觀測(cè)或者實(shí)驗(yàn)證據(jù)做支持，這樣的結(jié)論才能被科學(xué)家們所接受。即使強(qiáng)如狄拉克，也在缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)之前，遭到了同行的質(zhì)疑。
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