浅谈物理学中的真空

王海军

人类对真空的认识是一个不断发展、不断深入的过程，最初人们认为真空就是空无一物的空间，后来发现空间充满空气，随后又认为抽掉空气后的空间就是真空。今天，随着科学技术、科学发现的不断进步，人们对真空的获得、真空的测量和应用都有了迅猛发展。在对微观世界的探究中，物理学家又赋于真空新的含义，真空已成为物理学研究中的一个新热点。

早期认识的真空

16世纪末期以前，古希腊哲学家亚里士多德否定真空存在的观点占主导地位，人们以“自然界害怕真空”为由论证真空的不存在。进入17世纪以后，随着原子论的复活，承认真空的观点也在不断发展。大约在1644年托里拆利做了著名的“托里拆利实验”，托里拆利将一端封闭、一端开口的细长玻璃管中注满水银，然后封住开口端竖直倒插入水银槽中，打开开口端后部分水银流入水银槽，在玻璃管内上部得到了一段真空。为了证明玻璃管上方确实是空的，托里拆利给水银槽上面加满了水，当把管子慢慢提起使其下端刚刚处于有水部分时，管内的水银全部流出，水涌上管内，以此来说明真空的存在。

实际上，托里拆利获得的并非是无空气分子的真空，不过是空气非常稀簿而已。直到今天，人类也无法通过技术去抽光某一范围内的空气而达到所谓“技术真空”。现代高能加速器内需达到几亿亿分之一大气压的超高真空，就是在那里，每立方厘米的空间仍有几百个空气分子。

“场”观念兴起，真空不空

如果我们把问题推到极限，设想确有一个既没有空气分子，也没有其它任何实物粒子的空间，那么它是否真的就是“空”的呢？

19世纪三、四十年代，随着法拉第对电磁现象的不断研究，1845年11月，他第一次提出了“磁场”一词，并认为磁场是独立于物体的另一种物质，且充满了整个空间。在此基础上麦克斯韦又作了深入研究，不断获得重大进步，1865年麦克斯韦发表“电磁场的动力理论”标致着麦克斯韦电磁场理论的建立。1887年麦克斯韦电磁场理论被赫兹的电磁波实验光辉证实。就这样，一种新的物质形式——“场”，不可抗拒地破土而出，登上了物理学的殿堂。

于是，人们认识到物質存在的形式有两种：一种是实物，是由分子、原子组成的；另一种是场，如电场、磁场等，它们是充满全空间的，可以脱离实物而独立存在。虽然它们摸不到、看不见，但它就象我们喝的水、坐的凳子一样，是客观存在着的物质。在我们的周围空间不仅存在空气、实物粒子流，同时还存在着电磁波、光子。茫茫宇宙充满了背景辐射，哪里也没有绝对的“空”。

真空：波涛汹涌的负能粒子海洋

1928年，狄拉克创立了一个与爱因期坦狭义相对论相协调的量子力学理论，即描写单个电子的相对性波动方程。科学家发现这个狄拉克方程有负能量的解，这给物理学诠释带来严重困难。如果是这样，电子就会一步一步地、无限地向负能量状态跃迁，从而无限制地不断释放能量，以至原子发生灾难性崩溃。为了避免所有电子都跌入负能量的深渊，狄拉克在1930年提出正电子的空穴理论。他假定：在现实世界中，几乎所有负能量的状态都已被粒子占据，由于这些粒子服从泡利不相容原理，所以处在正能量状态的粒子就不能无限制地跃迁到负能量态。

在狄拉克空穴理论预言电子的反粒子——正电子存在两年后，1932年，安德森从宇宙射线中发现了正电子。正电子的发现是20世纪最重大的发现之一。它证实了反粒子的存在，证实了粒子可以产生、也可以湮灭和转化。据此，量子场论给我们描绘了这么一幅真空图景：在微观世界，存在一个起伏不定的负能量海洋，真空被定义为处于能量最低态的量子场。真空中充满了无穷多虚的正、反粒子，具有负无穷大的能量和无穷多的电荷。真空是不平静的，它处在剧烈的真空涨落之中，在极短的时间和极短的距离内，虚粒子不断的产生又湮灭、湮灭又产生。“场”物质和实物粒子之间可以相互转换，在外来电磁场的作用下，真空中虚的正、反粒子就能变成一对真实的粒子，物理粒子不过是真空的激发态。

“真空”不空，它非常充实而极其复杂，著名物理学家李政道指出：真空是有结构的，是一种凝聚态。目前，我们对真空仍然是知之甚少，人们已越来越重视对真空的研究，物理学家认为，物理学中许多基本问题的解决还有待于对真空的认识，真空已成为物理学中的重要关注点。

（作者单位：江苏省灌云高级中学）