真空中的奇妙世界

1654年，科學家葛利克做過一個有名的“馬拉銅球”的實驗，以表明我們周圍并非什么也沒有，而是充滿空氣：空氣對物體施加壓力，以至于16匹馬都得十分費力才能把抽空氣體的銅球拉開。人們把類似銅球內經抽氣后的空間，叫做“真空”。

但是，真空其實不空。直到今天，科學家甚至不能完全排除某一小范圍內的空氣。電視機顯像管需要高真空才能保證圖像清晰，其內部真空度達到幾十億分之一個大氣壓這樣的真空內，1立方厘米大小的空間也有好幾百億個空氣分子。在高能加速器上，為防止加速的基本粒子與管道中的空氣分子碰撞而損失能量，需要管道保持幾億億分之一個大氣壓的“超高真空”；即使在這樣的空間，1立方厘米內還有近千個空氣分子；即使在高度真空的太空實驗室里，每立方厘米的空間也有幾個空氣分子。

上述以抽出空氣方式得到的真空，叫做“技術真空”。科學家把技術真空的極限(即完全沒有任何實物粒子存在的真空)稱為“物理真空”。

可是在一些人看來，“物理真空”內部非但不空，而且十分復雜。按照狄拉克的觀點，它是一個填滿了“負能電子”的海洋。20世紀20年代，英國物理學家狄拉克結合狹義相對論和量子力學，建立了一個描述電子運動的方程。它一方面十分正確地描述了電子運動，另一方面又預言了科學家當時尚未認識的負能量電子。

自然界一切物體的能量總是正的。高山流水能沖刷堤岸、推動機器，它們有(正)能量；高速運動的電子能使電視熒光屏發光，它們也有(正)能量。如果說電子具有負能量，就意味著加速它時，它反而減速；向左推它時，它向右運動。

按照量子力學，兩個電子不能處在完全相同的狀態上，就如一個座位通常只能坐一個人。但狄拉克認為，所有負能狀態通常是“滿員”的，它被無窮多的負能電子占據。因此，正能電子其實是不能永無止境地發射能量的，其能量甚至不能降至零。這意味著，即使一個沒有任何實物粒子的空間，也是一個充滿無窮多個負能電子的大海。一個負能電子可通過吸收足夠多的能量而轉變為具有正能量的普通電子，爾后在負電子海洋中留下一個空穴，即少了一份負能量和一個負電子，這相當于給了海洋一個帶正電荷和正能量的反電子(或正電子)。

1932年，美國物理學家安德遜果然找到了它，狄拉克的理論也終于為大家所接受。質子和中子也有負能反粒子，物理真空還可分別由它們(負能質子或負能中子)填充。在物理真空中，正、反粒子對可不斷地產生、消失或消失后又產生，它們生存時間短，瞬息萬變，迄今還未觀測到，稱為虛粒子。它們在一定條件下可產生一些物理效應。例如，一個重原子核周圍的虛核子(反質子和反中子)在強電場作用下，會排列起來，出現正負極性，稱為真空極化，這將影響核外電子的分布，導致原子核結構改變。

粒子與反粒子碰到一起，變成一束光子。反之，一束光子也可從物理真空中打出粒子與反粒子。質子與中子等并非終極基本粒子，而是由更基本的“夸克”所組成。夸克有六種“味”，即上夸克、下夸克、粲夸克、奇(異)夸克、頂夸克和底夸克。它們在質子、中子等粒子內部幾乎作自由運動，但不能脫離這些粒子而單獨存在。它們似乎被一種強大的力囚禁了起來。按照“口袋模型”，粒子就如物理真空中運動的大口袋，口袋里裝有夸克，夸克間存在很微弱的相互作用，由一種叫做膠子的粒子傳遞。

粒子衰變或破碎為兩種或兩種以上的其它粒子時，可看作一個口袋變成兩個或兩個以上的口袋。同樣，兩個或兩個以上的粒子聚合成一個大粒子，就相當于多個口袋合成一個大口袋。于是，在破碎和聚合的過程中，永遠找不到單個夸克。口袋的分解或聚合就如液體(如肥皂水)中氣泡的分解和合成。氣泡內氣體分子幾乎是自由運動的，大氣泡可以分解成小氣泡，小氣泡也可合并成大氣泡。若基本粒子如小氣泡，則物理真空就如液體。這種液體性質獨特，它只能一對對地產生氣泡，或一對對地消失。

按照口袋模型，口袋里面(或氣泡里面)叫做“簡單真空”，外面是物理真空，這形成真空的兩種“相”。物理真空在一定條件下可變成簡單真空，就如日常生活中三相間的轉變一樣。固體受熱變液體，液體受熱變氣體，這些只需幾百度或成千上萬度就可發生。溫度高達幾十萬、幾百萬或幾千萬度時，氣體原子就要解體，變成叫做離子的帶電粒子。同樣，溫度足夠高時，口袋也將解體，質子、中子等基本粒子不再是基本的物質形式，它們將成一鍋由夸克和膠子組成的高溫粥，稱為夸克膠子等離子體，物理真空也就成了簡單真空。

計算機模擬實驗表明，物理真空熔化為簡單真空，需2萬億度以上的高溫，這個熔化的物理真空也叫“熔融真空”。重原子核可以包含上百個質子和中子，其內空間正常狀態下是個很好的物理真空。科學家希望通過碰撞來加熱它，使其熔化，獲得簡單真空。目前在高能實驗室中，質子和原子核間的碰撞能量已達幾百兆電子伏特，這已相當于將原子核加熱到了幾萬億度，但由于質子(與原子核比較)太小，只將原子核穿了一個洞，并未將整個原子核熔化。

科學家正在設法利用重原子核的碰撞來實現熔融真空。熔融真空實驗之所以重要，不僅在于它能直接檢驗關于基本粒子結構的一些理論假設，還在于其實驗結果可能有助于科學家理解宇宙的早期演化。

按照大爆炸模型，我們的宇宙始于約150億年前的一次巨大爆炸。爆炸發生的一瞬間，溫度遠遠超過熔融真空所需溫度，故早期的宇宙應是夸克膠子等離子體。隨著宇宙的膨脹，溫度逐漸降低，簡單真空也向物理真空轉化，出現了構成今天物質世界的基本粒子。預期在真空轉化過程中，應存在由50個或以上的夸克所組成的物質結構(通常的粒子只包含2個或3個夸克)。熔融真空實驗是對這種早期宇宙演化的模擬，是一種理解宇宙演化的重要手段。

為了測量真空熔化時放出的大量粒子，需在非常小的錐體內同時測量上千個粒子，這是前所未有的，迄今還沒有人能夠在一次碰撞事例中測量上百個粒子。科學家即使用分辨率很高的乳膠探測器，也無能為力，它也不適宜于探測高能加速器實驗中的夸克膠子等離子體。這些困難經常困擾著科學家并激勵他們去解決。

[責任編輯] 蒲 暉

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真空詞源本義是虛空，即一無所有的空間。古希臘德謨克利特的原子論認為，所有的物質都是由原子組成，而原子之外就是虛空。中國古代張載、王夫之的元氣學說則與此相反，認為世上萬物皆由元氣形成，而“陰陽二氣充滿太虛，此外更無他物，亦無間隙”。近代物理學的發展史中，也貫穿著關于真空的這兩種觀點的斗爭：與虛空論相對立的是以太論，它認為空間中總是充滿了一種叫做“以太”的特殊物質。愛因斯坦的狹義相對論指出，光和電磁場本身就是一種物質，可在空間中傳播，否定了以太存在。

如果真空是沒有任何物質的空間，那么真空本身的各種性質由什么決定的呢?愛因斯坦在用場的觀點研究引力現象之后，便意識到真空即空的空間這一觀點有問題，曾提出過真空不過是引力場的一種特殊狀態的想法。其后，現代物理學的發展，終于獲得了對真空的科學的認識，即真空是量子場系統的基態。

按照現代物理學的基礎理論——量子場論，物理世界是由各種量子場系統組成的，這些量子場系統的能量最低的狀態(即基態)就是真空。根據這種最新的科學認識，真空并不是“沒有物質的空間”。