真空的世界

绝大多数人认为真空是空荡荡的、没有空气的空间。实际上，科学告诉我们，无论在宇宙空间还是微观世界，不可能存在“完全的真空”。为了能够计量真空度，通常我们用气压来表示其大小。按定义，1个气压是指每立方厘米约有10¹⁹个分子，即骰子大小的空间有1兆个的1000万倍这样惊人数字的分子到处飞舞。随着从地表走向高空，气压逐步下降，更接近真空。

在微观世界，理应什么也没有的真空中，实际上充满着忽隐忽现的粒子，它们的状态变化得十分迅速，以至于无法被看到。真空具有能量，则是因为时间和能量的“测不准原理”决定的。该原理认为，不可能同时知道同一粒子的位置和动量。但是，平均而言，量子能量的涨落是恒定的。

再者，能量与粒子的关系，按爱因斯坦的质能互换方程，质量与能量是等效的，所以真空的能量值的涨落可以导致基本粒子生成：在极短的时间内，一对正反粒子可以从真空中“借来”能量而产生，然后又在极短的时间内，通过相互湮灭的途径把能量“还给”真空。难怪从宏观上人类感觉不到它们的存在。

基本粒子实验中的真空

基本粒子实验用加速器的真空要求比在航天飞机绕地轨道上(距地面约400千米，约10亿分之一气压)还低压的真空。日本高能加速器研究所的“B工厂”要求气压在1兆分之一气压以下。

B工厂是在周长约3千米的束导管中，让100亿个电子和正电子形成团块，围绕着环旋转，观察相互碰撞的基本粒子衰变方式的装置。如果束导管中残留许多干扰分子，就会使好不容易加速的电子或正电子与干扰分子碰撞而消失了。为了有效进行实验，尽可能让旋转的电子和正电子保持长时间稳定，这样真空当然必不可少了。真空是左右加速器性能的关键因素。

那么，1兆分之一气压的真空有多“稀疏”呢?为了实际感受其稀疏程度，暂且做这样一个计算。例如1个大气压的情形是每立方厘米中存在10¹⁹个分子，在此，假定把1个分子大小考虑为玻璃球的大小(半径1厘米)，大致计算一下，则变为每边2000千米的立方体中存在10¹⁹个玻璃球。由此计算存在一个玻璃球的空间，1个大气压的稀疏程度是每边1米的立方体有一个玻璃球。按这样考虑1兆分之一气压的情形，相当于每边约10千米的立方体有1个玻璃球，由、此可以想象B工厂的束导管中是多么稀疏了。

能人工制造“完全真空”吗?

是否能人工制造一个分子也没有的“完全真空”呢?遗憾的是，那是不可能的。因为即使怎样除掉分子，分子又接连不断地“渗出”。

实际上在容器壁的表面吸附着各种分子或原子，甚至连容器壁里也可混进各种原子。再者，从抽真空的泵的连接部分等进入一点外面的空气，无论采用任何措施，都不可能完全防止容器的泄漏。目前，人工的真空极限是1000兆分之一气压左右。

宇宙空间存在“完全真空”吗?

人工能够造出的真空是到1000兆分之一气压左右。这是1立方厘米的空间中存在1万个左右分子的状态。那么，在宇宙空间有分子或原子完全不存在的地方吗?实际上宇宙空间尽管空气非常稀疏，但是还有气体或尘埃徘徊。星的诞生就是那些气体通过自身的引力相互拉拽、压缩的结果。

离太阳最近的恒星，是距离约4光年的半人马座α星。考虑太阳与半人马座α星之间的宇宙空间，每立方厘米存在1个原子(主要是氢原子)。

如果到银河系外去又如何呢?例如从我们的银河到仙女座的α星约有230万光年的距离。即使那样的空间，实际上每立方米也有1个原子存在。人工地制造一个分子或原子也没有的“完全真空”不可能，并且在自然界多半好像也不存在“完全真空”。

假定同意星系之间每立方米有1个原子存在，其原子周围的空间又如何呢?事实上，每立方米1个原子几乎等于什么也没有。在此提出这样一个疑问，如果每立方米中有1个原子孤零零地存在，则那个原子周围的空间当然什么也不存在。那么，原子周围的空间是“完全真空”吗?

还有另一个不可思议的地方，那就是原子中的空间。原子由原子核与电子构成，电子绕在原子核的周围。除此以外，构成原子的因素好像是没有了。打个比喻，假定中心的原子核为半径1米的球，则原子为半径100米巨大的球，其中存在几乎被视为没有大小的电子。原子之中的空间不也是“完全真空”吗?

的确，这些空间不存在分子或原子，似乎也可称之为“完全真空”。但是，按现代物理学，在这些空间中充满了“基本粒子”。如果从微小的基本粒子层面考虑，它应是什么也没有的原子周围或原子之中突然飞出电子或光子等基本粒子的奇怪的空间。而且这种基本粒子反复地诞生，一瞬间又湮灭。

真空是沸腾不已的世界

我们将通过加速器的基本粒子实验加以证实。按“质量与能量可以相互转换”的事实，如果给予能量，则从真空成对地造出电子和正电子(也称电子的反粒子)。首先，把加速的电子打入金属团块。于是在金属原子中的空间，电子释放高能量的伽马射线，从这个伽马射线成对地诞生正电子和电子。这样从真空“捡到”原来不存在的正电子和电子对。

但是允许这样的存在仅仅是一瞬间，电子与正电子的情形是10的22次方分之一秒。由于这个基本粒子对存在时间太短，我们不能直接观测到，为此称之为“虚粒子”。物理学家把这样真空的事实比喻为“沸腾的真空”。把从真空诞生并湮灭的基本粒子看做是沸腾开水中不断冒起又瞬间消失的气泡。经过物理学家估算，在1毫升的真空里面，这些涨落不定的能量比整个宇宙中所有物质所含的能量还要高。

这是现代基本粒子物理学中真空的景象。原子周围和原子之中“空的”地方可以说是非常不平静。即物质的有与无，从我们的身体中到宇宙的一切空间好像是无数的虚粒子反复进行成对生成和湮灭，由于能量与物质极为快速地转换，所以在宏观上根本感觉不到它们的存在。

即使在温度为绝对零度时，这些真空能量涨落也很活跃，真空也在向四面八方散发出能量，这与人们看到的表面现象不大一样。这也是真空能量与其他能量不同的最大特点，因此，科学家们就将绝对零度时在真空中的物质产生的能量叫做“零点能”。

第一个提出用实验检测零点能的是荷兰物理学家享德里克·卡西米尔，他于1948年提出，真空能量可以通过两块放置在真空中并且挨得很近的金属薄板之间产生的微弱作用力表现出来。如果真空“沸腾”，在金属薄板相隔的空间内反复生成和湮灭电子和正电子的配对。这时金属薄板内部的电子受空间内电荷的配置方向影响，结果是金属薄板的一侧带正电，另一侧带负电，使两枚金属薄板因正负的电荷吸引。这个力随两枚金属薄板越靠近越强。这就是卡西米尔效应。

由于这项实验必须有精密的测量技术，所以直到1996年物理学家才首次对这种“卡西米尔”效应进行了测定，验证了零点能的存在。

随后，美国物理学家弗雷希曼和庞斯用钯电极在常温下电解重水时，观察到了类似氢弹爆炸现象的“冷核聚变”。原来电解过程中，电极表面局部区域会产生气泡和涡旋运动，并在涡旋中心通过“挠场”机制产生高能射线，这就是著名的涡旋动力学与挠场机制提取零点能的方法。现在，科学家通过这一方法已经实现了在一杯冷水中瞬间产生上百万度的高温。(文章代码：0403)

[责任编辑]蒲晖

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