剛剛看到這樣一個笑話：“如果把你扔進真空環(huán)境里，你會怎樣？”“額，沒有信號，玩不了手機?！本拖襁@個笑話一樣，關于真空的誤解還有很多。老郭大學是學物理的，應用物理專業(yè)，有好多實驗需是在真空環(huán)條件做的，比如阿發(fā)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。這里就帶您一起來了解一下物理學家眼里的真空究竟是什么樣。
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(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，水泵里的水柱超過一定的重量時，水泵的活塞就無法繼續(xù)拉動水面上升，于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(zhì)，因此為了避免出現(xiàn)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(xiàn)在知道，伽利略的這種解釋是錯誤的。

1641年，伽利略的弟子托里拆利做了一個著名的實驗，他在一根長玻璃管子內(nèi)加滿水銀，然后很緩慢的將管口倒轉在一個盛滿水銀的盆內(nèi)，管子內(nèi)水銀柱的末端是76厘米高。這時玻璃管最上方無水銀地帶是真空狀態(tài)。
1651年，有人在帕斯卡的指導下，在一個高山上重做了托里拆利實驗，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，格里克利用自己研制的真空泵，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(nèi)經(jīng)過抽氣后的空間被稱作真空。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(nèi)，低于一個大氣壓力的氣體狀態(tài)。

如果我們仔細研讀這個時期對真空的定義，可以發(fā)現(xiàn)，真空并不是什么都沒有，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范圍內(nèi)的空氣。
以老郭的實驗經(jīng)歷為例，在阿發(fā)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(xù)了。這個時候，實驗環(huán)境中開始出現(xiàn)碳污染，這是因為，用于給真空泵活塞密封的潤滑油出現(xiàn)了揮發(fā)現(xiàn)象，污染了實驗環(huán)境的緣故。
二、現(xiàn)代物理對真空的理解
盡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(huán)境，但很多近代物理學家們?nèi)匀粓猿终J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(zhì)疑的科學家，他用場論觀點研究引力現(xiàn)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(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(tài)，也包括負能態(tài)。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(zhì)量，但是電荷符號相反。

正是這個負能態(tài)的解讓當時的科學家們產(chǎn)生了質(zhì)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(chǎn)生了質(zhì)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(fā)現(xiàn)，宇宙射線進入云室穿過鉛板后，軌跡確實發(fā)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(zhì)量相同，但電荷卻相反，而這恰好是狄拉克所預言的正電子。當時安德森并不知道狄拉克的預言，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么關系呢？
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(jīng)是滿的，其中的道理就像河水總會流入大海，然后再通過蒸發(fā)和方式達到新的平衡狀態(tài)。

狄拉克就此認為，沒有任何實物粒子的空間是充滿著無數(shù)的正電子的海洋，正電子可以通過吸收足夠的能量之后轉變?yōu)樨撾娮?，爾后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(zhì)子。
至此，狄拉克的理論終于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(chǎn)生、消失、消失后再產(chǎn)生，這種變化過程時間極短，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出現(xiàn)吸力；這在經(jīng)典理論中是不會出現(xiàn)的現(xiàn)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(chǎn)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，加深了人類對于真空的理解。
三、物理學對真空理論研究的進展
現(xiàn)在科學家們已經(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(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、中子不能離開夸克而存在，從這個角度看上去，質(zhì)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”?？淇酥g由膠子來傳遞微弱的相互作用。當發(fā)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(fā)生了分裂和合并。因此，在核反應過程中，找不到單個夸克。

這些由質(zhì)子、中子組成的“口袋”的里面叫做簡單真空，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(zhì)子與原子核的碰撞能量提高到幾百兆電子伏特，這相當于將原子核的局部加熱到了幾萬億度。不過由于質(zhì)子很小，只能將原子核射穿一個洞，并不能將整個原子核熔化。
四、真空研究加深了人類對于宇宙演化的理解
目前科學家們?nèi)匀辉谂μ岣邔ψ矙C的能量，希望能在實驗室里完成熔融真空實驗。這不僅僅是為了檢驗目前量子力學中關于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，宇宙誕生于200億年前的一次爆炸，在爆炸發(fā)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于大氣壓的真空，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后都需要有觀測或者實驗證據(jù)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(jù)之前，遭到了同行的質(zhì)疑。
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