真空真的是空无一物的吗？物理学家：跟想象的不太一样

先来分享一个有趣的笑话：“如果把你扔进真空环境里，你会怎样？”

有人可能会这样回答：“没有信号，玩不了手机。” 这个笑话反映出，大众对真空存在不少误解。

实际上，在物理实验领域，真空有着不可或缺的地位，像阿尔法粒子轰击实验、溅射镀膜实验等，都需要在真空环境下进行。接下来，让我们一同走进物理学家眼中的真空世界。

人类对真空的接触可以追溯到很久以前，最早的真空机械抽水泵，为人们开启了探索真空的大门。

水泵技师们发现，有一种力的大小相当于 10 米水柱的重量，一旦超过这个重量，水泵就无法继续拉动水面上升。伽利略率先对真空现象进行解释，他认为当水泵里水柱超过一定重量时，活塞和水面之间会形成真空。

同时，伽利略提出自然厌恶真空的观点，为避免真空出现，有一种 “真空力” 能拉动活塞提升水面。但以现代科学的视角来看，伽利略的解释并不正确。

1641 年，伽利略的弟子托里拆利进行了一项著名实验。

他将长玻璃管内注满水银，缓慢将管口倒转至盛满水银的盆内，此时管内水银柱高度为 76 厘米，玻璃管最上方无水银的区域便处于真空状态。

1651 年，在帕斯卡的指导下，人们在高山上重复了托里拆利实验。帕斯卡通过对实验现象的分析，给出了正确解释：所谓的 “真空力”，其实是大气自身重量对开放液体表面施加的压力，即大气压。

1654 年，格里克利用自己研制的真空泵，抽走了铜制空心半球内的空气，随后用 16 匹马背向对拉两个半球，经过一番努力，半球才被拉开，这就是著名的马德堡半球实验。

该实验有力地证明了大气压的存在，而球内抽气后的空间则被称作真空。至此，科学意义上的真空概念正式诞生：给定空间内，气体状态低于一个大气压力。

深入研究这一时期对真空的定义可知，真空并非一无所有，而是依然存在稀薄气体。即便在当今，科学家也难以完全排除某一微小范围内的空气。

以阿尔法粒子轰击实验为例，实验前虽会抽真空，但真空度只能降低到一定程度，之后就无法继续。而且，真空泵活塞密封用的润滑油会挥发，进而导致实验环境出现碳污染。

尽管物理学家从未在实验室中创造出真正空无一物的真空环境，但许多近代物理学家坚信，这只是技术限制所致。随着技术不断进步，实验室可获得的真空度越来越低，因此他们认为，空无一物的真空是有可能实现的。

这里需要区分两个概念：通过抽出气体获得的真空称为技术真空，而空无一物、完全没有任何粒子的技术真空极限则被称为物理真空。

爱因斯坦率先对物理真空的传统观点提出质疑。他在运用场论研究引力现象时，意识到空无一物的真空观念存在问题，并提出真空是引力场的某种特殊状态这一想法。

狄拉克则为真空赋予了全新的物理内涵。

1928 年，他将狭义相对论与量子力学相结合，建立了描述电子运动的方程。该方程能准确描述电子运动，与实验结果高度契合。但方程的解包含正能态和负能态，基于此，狄拉克预言了正电子的存在，认为正电子是电子的镜像，二者质量相同，电荷符号相反。

这一负能态的解引发了科学家的质疑，因为当时实验中从未观测到正电子。秉持 “以实验为基础提出理论” 的物理学家，对狄拉克方程产生了怀疑，狄拉克本人也曾有过类似想法。

然而，仅仅 4 年后，1932 年，美国物理学家安德森在研究宇宙射线在磁场中的偏转情况时，发现宇宙射线进入云室穿过铅板后轨迹发生弯曲，在高能宇宙射线穿过铅板时，有一种粒子轨迹与电子相同，但弯曲方向相反。

这表明该粒子与电子质量相同、电荷相反，正是狄拉克所预言的正电子。当时安德森并不知晓狄拉克的预言，将其发现的粒子命名为 “正电子”。次年，安德森通过 γ 射线轰击方法产生了正电子，从实验上完全证实了正电子的存在。

正电子与真空存在紧密联系。自然界中物体能量通常为正，而正电子受力运动方向与常规相反。狄拉克据此认为，没有实物粒子的空间充满无数正电子，正电子吸收足够能量后可转变为负电子，在正电子海洋中留下空穴。

此外，狄拉克认为物理真空也可由其他基本粒子的反粒子，如反中子或反质子构成。至此，狄拉克的理论得到物理学家的认可，新的物理真空概念诞生：真空并非空无一物，在物理真空中，正、反粒子对不断产生、消失、再产生，这一过程极为短暂，这些瞬间产生的基本粒子被称为虚粒子。

1948 年，荷兰物理学家亨德里克・卡西米尔基于狄拉克 “真空不空” 的观念提出，真空中两片不带电的金属板会产生吸力，这一现象在经典理论中无法解释，且只有在两物体距离极小时才能检测到。

1996 年，物理学家首次对其进行测定，测量结果与理论计算高度吻合。在亚微米尺度下，该效应产生的吸引力成为中性导体间的主要作用力，在 10 纳米间隙上，卡西米尔效应能产生 1 个大气压的压力。卡西米尔效应实验的成功，进一步证实了狄拉克 “真空不空” 的物理概念，深化了人类对真空的理解。

如今，科学家已了解到正反粒子相互碰撞会发射光子，反之，强光也能从物理真空中激发出粒子与反粒子。质子、中子并非最基本的粒子，它们由更基本的夸克组成，夸克共有六种类型。

质子、中子离不开夸克而存在，从这个角度看，质子、中子如同囚禁夸克的物理真空口袋，这便是 1974 年提出的 “口袋模型”。夸克之间通过胶子传递微弱的相互作用。核裂变或核聚变过程，可看作是物理真空口袋的分裂与合并，因此在核反应中，难以找到单个夸克。

由质子、中子组成的 “口袋” 内部称为简单真空，外部是物理真空，粒子内部和外部由此形成两种不同真空 “相”。这两种相在特定条件下可相互转换，就像水在不同温度和压力下可呈现气态、液态和固态一样。

物理学家通过计算机模拟实验发现，将物理真空 “熔化” 为简单真空需 2 万亿度以上的高温，这种熔化后的真空被称为 “熔融真空”。

目前在实验室中，物理学家借助高能粒子加速器，可将质子与原子核的碰撞能量提升至几百兆电子伏特，相当于将原子核局部加热到几万亿度。但由于质子体积小，只能在原子核上射穿一个洞，无法使整个原子核熔化。

当前，科学家仍致力于提高对撞机的能量，期望在实验室中完成熔融真空实验。这不仅有助于检验量子力学中关于基本粒子结构的理论假设，还能帮助科学家理解宇宙的早期演化。

根据宇宙大爆炸理论，宇宙诞生于 200 亿年前的一次爆炸，爆炸瞬间的温度远超熔融真空所需温度，因此早期宇宙宛如一锅夸克和胶子的 “粥”。随着宇宙不断膨胀，温度逐渐降低，简单真空开始转化。熔融真空实验是对早期宇宙演化的模拟，是深入理解宇宙演化的重要途径。

目前，熔融真空实验面临诸多难题，有待科学家逐一攻克。然而，正是宇宙演化这一充满挑战的课题，以及实验中遭遇的重重困难，彰显了科学的独特魅力。

从最初接触真空并利用其抽水，到开展科学研究，人类对真空的认识不断深化。从气压小于大气压的真空，到设想空无一物的真空，再到如今认识到真空不空，科学一次次揭开真空的神秘面纱，引领我们探索未知的奥秘。