淺談物理學中的真空

王海軍

人類對真空的認識是一個不斷發展、不斷深入的過程，最初人們認為真空就是空無一物的空間，后來發現空間充滿空氣，隨后又認為抽掉空氣后的空間就是真空。今天，隨著科學技術、科學發現的不斷進步，人們對真空的獲得、真空的測量和應用都有了迅猛發展。在對微觀世界的探究中，物理學家又賦于真空新的含義，真空已成為物理學研究中的一個新熱點。

早期認識的真空

16世紀末期以前，古希臘哲學家亞里士多德否定真空存在的觀點占主導地位，人們以“自然界害怕真空”為由論證真空的不存在。進入17世紀以后，隨著原子論的復活，承認真空的觀點也在不斷發展。大約在1644年托里拆利做了著名的“托里拆利實驗”，托里拆利將一端封閉、一端開口的細長玻璃管中注滿水銀，然后封住開口端豎直倒插入水銀槽中，打開開口端后部分水銀流入水銀槽，在玻璃管內上部得到了一段真空。為了證明玻璃管上方確實是空的，托里拆利給水銀槽上面加滿了水，當把管子慢慢提起使其下端剛剛處于有水部分時，管內的水銀全部流出，水涌上管內，以此來說明真空的存在。

實際上，托里拆利獲得的并非是無空氣分子的真空，不過是空氣非常稀簿而已。直到今天，人類也無法通過技術去抽光某一范圍內的空氣而達到所謂“技術真空”。現代高能加速器內需達到幾億億分之一大氣壓的超高真空，就是在那里，每立方厘米的空間仍有幾百個空氣分子。

“場”觀念興起，真空不空

如果我們把問題推到極限，設想確有一個既沒有空氣分子，也沒有其它任何實物粒子的空間，那么它是否真的就是“空”的呢？

19世紀三、四十年代，隨著法拉第對電磁現象的不斷研究，1845年11月，他第一次提出了“磁場”一詞，并認為磁場是獨立于物體的另一種物質，且充滿了整個空間。在此基礎上麥克斯韋又作了深入研究，不斷獲得重大進步，1865年麥克斯韋發表“電磁場的動力理論”標致著麥克斯韋電磁場理論的建立。1887年麥克斯韋電磁場理論被赫茲的電磁波實驗光輝證實。就這樣，一種新的物質形式——“場”，不可抗拒地破土而出，登上了物理學的殿堂。

于是，人們認識到物質存在的形式有兩種：一種是實物，是由分子、原子組成的；另一種是場，如電場、磁場等，它們是充滿全空間的，可以脫離實物而獨立存在。雖然它們摸不到、看不見，但它就象我們喝的水、坐的凳子一樣，是客觀存在著的物質。在我們的周圍空間不僅存在空氣、實物粒子流，同時還存在著電磁波、光子。茫茫宇宙充滿了背景輻射，哪里也沒有絕對的“空”。

真空：波濤洶涌的負能粒子海洋

1928年，狄拉克創立了一個與愛因期坦狹義相對論相協調的量子力學理論，即描寫單個電子的相對性波動方程。科學家發現這個狄拉克方程有負能量的解，這給物理學詮釋帶來嚴重困難。如果是這樣，電子就會一步一步地、無限地向負能量狀態躍遷，從而無限制地不斷釋放能量，以至原子發生災難性崩潰。為了避免所有電子都跌入負能量的深淵，狄拉克在1930年提出正電子的空穴理論。他假定：在現實世界中，幾乎所有負能量的狀態都已被粒子占據，由于這些粒子服從泡利不相容原理，所以處在正能量狀態的粒子就不能無限制地躍遷到負能量態。

在狄拉克空穴理論預言電子的反粒子——正電子存在兩年后，1932年，安德森從宇宙射線中發現了正電子。正電子的發現是20世紀最重大的發現之一。它證實了反粒子的存在，證實了粒子可以產生、也可以湮滅和轉化。據此，量子場論給我們描繪了這么一幅真空圖景：在微觀世界，存在一個起伏不定的負能量海洋，真空被定義為處于能量最低態的量子場。真空中充滿了無窮多虛的正、反粒子，具有負無窮大的能量和無窮多的電荷。真空是不平靜的，它處在劇烈的真空漲落之中，在極短的時間和極短的距離內，虛粒子不斷的產生又湮滅、湮滅又產生。“場”物質和實物粒子之間可以相互轉換，在外來電磁場的作用下，真空中虛的正、反粒子就能變成一對真實的粒子，物理粒子不過是真空的激發態。

“真空”不空，它非常充實而極其復雜，著名物理學家李政道指出：真空是有結構的，是一種凝聚態。目前，我們對真空仍然是知之甚少，人們已越來越重視對真空的研究，物理學家認為，物理學中許多基本問題的解決還有待于對真空的認識，真空已成為物理學中的重要關注點。

（作者單位：江蘇省灌云高級中學）