究竟什么是真空？物理学家狄拉克：真空不是想象中那样平静

刚刚看到这样一个笑话：“如果把你扔进真空环境里，你会怎样？”“额，没有信号，玩不了手机。”就像这个笑话一样，关于真空的误解还有很多。老郭大学是学物理的，应用物理专业，有好多实验需是在真空环条件做的，比如阿发粒子轰击实验、溅射镀膜实验等等，所以对真空是有一定的了解的。这里就带您一起来了解一下物理学家眼里的真空究竟是什么样。
一、近代物理对真空理解
其实人类很早就开始接触真空了，最早的真空机械就是抽水泵。根据水泵技师们的发现，这种力的大小正好等于10米水柱的重量，如果超过这一重量就拉不动了。伽利略最早对真空做出解释，他认为，水泵里的水柱超过一定的重量时，水泵的活塞就无法继续拉动水面上升，于是就在活塞和水面之间形成了真空。
对此，伽利略认为，自然具有厌恶真空的性质，因此为了避免出现真空，就会有一种力使得活塞能够把水面拉上来。他把这种力称为“真空力”。我们现在知道，伽利略的这种解释是错误的。

1641年，伽利略的弟子托里拆利做了一个著名的实验，他在一根长玻璃管子内加满水银，然后很缓慢的将管口倒转在一个盛满水银的盆内，管子内水银柱的末端是76厘米高。这时玻璃管最上方无水银地带是真空状态。
1651年，有人在帕斯卡的指导下，在一个高山上重做了托里拆利实验，帕斯卡根据现象给出了正确的解释。即，所谓的真空力，实际上是大气自身的重量对开放的液体表面所施加的压力，也就是大气压。

1654年，格里克利用自己研制的真空泵，抽空了用铜做的两个空心半球之间的空气，用16匹马背向对拉两个半球，马最终竭尽全力才拉开。这就是著名的马德保半球实验。
马德保半球实验证明了大气压的存在，而球内经过抽气后的空间被称作真空。至此真正科学意义上的真空概念诞生了：即，在给定的空间内，低于一个大气压力的气体状态。

如果我们仔细研读这个时期对真空的定义，可以发现，真空并不是什么都没有，而是还存在着稀薄的气体。事实上，直到今天，科学家们都不能完全排除甚至是某一个小范围内的空气。
以老郭的实验经历为例，在阿发粒子轰击实验中，要提前抽真空，然而这个真空度只能低到一定的限度，就无法继续了。这个时候，实验环境中开始出现碳污染，这是因为，用于给真空泵活塞密封的润滑油出现了挥发现象，污染了实验环境的缘故。
二、现代物理对真空的理解
尽管物理学家们从来没有在实验室中得到过真正空无一物的真空环境，但很多近代物理学家们仍然坚持认为，这只是因为技术手段没跟上。毕竟随着技术的进步，实验室中能获得的真空度越来越低，有理由相信，空无一物的真空是有可能存在的。
PS：以抽出气体的方式得到的真空称作技术真空，而把空无一物，完全没有任何粒子的技术真空极限称为物理真空。

爱因斯坦是最早对物理真空的观点提出质疑的科学家，他用场论观点研究引力现象时，就认识到空无一物的真空观念是有问题的，他曾提出真空是引力场的某种特殊状态的想法。
赋予真空全新物理内容的是狄拉克。1928年，狄拉克把狭义相对论与量子力学相结合，建立了一个描述电子运动的方程，这个方程可以十分正确地描述电子的运动，与实验结果非常符合。这一方程的解很特别，既包括正能态，也包括负能态。狄拉克由此做出了存在正电子的预言，认为正电子是电子的一个镜像，它们具有严格相同的质量，但是电荷符号相反。

正是这个负能态的解让当时的科学家们产生了质疑，因为当时的科学家们，从来没有在实验中观测到过正电子。这让当时那些坚持“只有以实验为基础，才能提出理论”的物理学家们对狄拉克方程产生了质疑，甚至这种想法连狄拉克本人也曾有过。
仅仅过去4年，1932年狄拉克的预言就被实验证实了，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，轨迹确实发生了弯曲，而且，在高能宇宙射线穿过铅板时，有一个粒子的轨迹和电子的轨迹完全一样，但是弯曲的方向却“错”了。

这意味着，这种前所未知的粒子与电子的质量相同，但电荷却相反，而这恰好是狄拉克所预言的正电子。当时安德森并不知道狄拉克的预言，他把所发现的粒子叫做“正电子”。第二年，安德森又用γ射线轰击方法产生了正电子，从而从实验上完全证实了正电子的存在。
那么正电子与真空之间有什么关系呢？
大家都知道，自然界中物体的能量都是正的。铅球从楼上扔出去会被加速、燃烧也会让周围的温度升高。然而正电子与此相反，你给它一个力它会往相反的方向运动。这意味着，其实负能量已经是满的，其中的道理就像河水总会流入大海，然后再通过蒸发和方式达到新的平衡状态。

狄拉克就此认为，没有任何实物粒子的空间是充满着无数的正电子的海洋，正电子可以通过吸收足够的能量之后转变为负电子，尔后在正电子的海洋中留下一个空穴。狄拉克进一步认为，物理真空也可以由其它基本粒子的反粒子构成，比如反中子或反质子。
至此，狄拉克的理论终于被物理学家们所接受，新的物理真空概念诞生了——真空不空，在物理真空中，正、反粒子对可以不断产生、消失、消失后再产生，这种变化过程时间极短，这些瞬息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·卡西米尔根据狄拉克“真空不空”观念提出：真空中两片不带电的金属板会出现吸力；这在经典理论中是不会出现的现象。这种效应只有在两物体的距离非常之小时才可以被检测到。
1996年，物理学家首次对它进行了测定，实际测量结果与理论计算结果十分吻合。在亚微米尺度上，该效应导致的吸引力成为中性导体之间主要作用力，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，进一步证明了狄拉克所提出的“真空不空”的物理概念，加深了人类对于真空的理解。
三、物理学对真空理论研究的进展
现在科学家们已经知道正反粒子相互碰撞可以发射出光子，反过来，强光也可以从物理真空中打出粒子与反粒子。我们前面所说的质子、中子等并非最基本的粒子，它们是由更基本的粒子——夸克组成，而夸克还又有六种类型。
质子、中子不能离开夸克而存在，从这个角度看上去，质子、中子就像一个囚禁夸克的物理真空口袋，这就是1974年提出的“口袋模型”。夸克之间由胶子来传递微弱的相互作用。当发生核裂变或者是核聚变时，可以看做是这样的物理真空的口袋发生了分裂和合并。因此，在核反应过程中，找不到单个夸克。

这些由质子、中子组成的“口袋”的里面叫做简单真空，外面是物理真空，这样在粒子的内部和外部就形成了两种不同真空的“相”。这两种相在一定的条件下可以相互转换，就如水在不同的温度压力条件下可以有气态、液态和固态一样。
物理学家通过计算机模拟实验表明，把物理真空“熔化”为简单真空需要2万亿度以上的高温。这种熔化的的真空在物理学上也被称为“熔融真空”。目前在实验室中，物理学家们可以通过高能粒子加速器，将质子与原子核的碰撞能量提高到几百兆电子伏特，这相当于将原子核的局部加热到了几万亿度。不过由于质子很小，只能将原子核射穿一个洞，并不能将整个原子核熔化。
四、真空研究加深了人类对于宇宙演化的理解
目前科学家们仍然在努力提高对撞机的能量，希望能在实验室里完成熔融真空实验。这不仅仅是为了检验目前量子力学中关于基本粒子结构的理论假设，还有一个原因是，熔融真空实验还可以帮助科学家们理解宇宙的早期演化。
按照宇宙大爆炸理论，宇宙诞生于200亿年前的一次爆炸，在爆炸发生的一瞬间，温度远超熔融真空所需要的温度，所以早期宇宙应该是一锅夸克和胶子的“粥”。随着宇宙的膨胀，温度逐渐降低，简单真空开始转化。熔融真空实验，就是对这种早期宇宙演化的模拟，是理解宇宙演化的重要手段。
目前，熔融真空实验的难度还是太大，还有大量的困难需要科学家们解决。然而面对宇宙演化这样的课题，还有实验中的这些困难，正是科学吸引我们的魅力所在。
结束语——真空不空，是激荡的能量海洋
人类从接触真空，利用真空来抽水，到开始科学地研究真空，我们的认识从气压小于大气压的真空，到空无一物的真空，再到今天的真空不空，科学一次又一次地为我们揭开真空的神秘面纱。
PS：希望您在读本文的时候，能够注意一点——科学家们提出来的观点最后都需要有观测或者实验证据做支持，这样的结论才能被科学家们所接受。即使强如狄拉克，也在缺乏实验证据之前，遭到了同行的质疑。
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