淺談物理學(xué)中的真空

王海軍

人類對(duì)真空的認(rèn)識(shí)是一個(gè)不斷發(fā)展、不斷深入的過程，最初人們認(rèn)為真空就是空無一物的空間，后來發(fā)現(xiàn)空間充滿空氣，隨后又認(rèn)為抽掉空氣后的空間就是真空。今天，隨著科學(xué)技術(shù)、科學(xué)發(fā)現(xiàn)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)真空的獲得、真空的測(cè)量和應(yīng)用都有了迅猛發(fā)展。在對(duì)微觀世界的探究中，物理學(xué)家又賦于真空新的含義，真空已成為物理學(xué)研究中的一個(gè)新熱點(diǎn)。

早期認(rèn)識(shí)的真空

16世紀(jì)末期以前，古希臘哲學(xué)家亞里士多德否定真空存在的觀點(diǎn)占主導(dǎo)地位，人們以“自然界害怕真空”為由論證真空的不存在。進(jìn)入17世紀(jì)以后，隨著原子論的復(fù)活，承認(rèn)真空的觀點(diǎn)也在不斷發(fā)展。大約在1644年托里拆利做了著名的“托里拆利實(shí)驗(yàn)”，托里拆利將一端封閉、一端開口的細(xì)長(zhǎng)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(nèi)上部得到了一段真空。為了證明玻璃管上方確實(shí)是空的，托里拆利給水銀槽上面加滿了水，當(dāng)把管子慢慢提起使其下端剛剛處于有水部分時(shí)，管內(nèi)的水銀全部流出，水涌上管內(nèi)，以此來說明真空的存在。

實(shí)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(shù)去抽光某一范圍內(nèi)的空氣而達(dá)到所謂“技術(shù)真空”?，F(xiàn)代高能加速器內(nèi)需達(dá)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(gè)空氣分子。

“場(chǎng)”觀念興起，真空不空

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

19世紀(jì)三、四十年代，隨著法拉第對(duì)電磁現(xiàn)象的不斷研究，1845年11月，他第一次提出了“磁場(chǎng)”一詞，并認(rèn)為磁場(chǎng)是獨(dú)立于物體的另一種物質(zhì)，且充滿了整個(gè)空間。在此基礎(chǔ)上麥克斯韋又作了深入研究，不斷獲得重大進(jìn)步，1865年麥克斯韋發(fā)表“電磁場(chǎng)的動(dòng)力理論”標(biāo)致著麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的建立。1887年麥克斯韋電磁場(chǎng)理論被赫茲的電磁波實(shí)驗(yàn)光輝證實(shí)。就這樣，一種新的物質(zhì)形式——“場(chǎng)”，不可抗拒地破土而出，登上了物理學(xué)的殿堂。

于是，人們認(rèn)識(shí)到物質(zhì)存在的形式有兩種：一種是實(shí)物，是由分子、原子組成的；另一種是場(chǎng)，如電場(chǎng)、磁場(chǎng)等，它們是充滿全空間的，可以脫離實(shí)物而獨(dú)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(zhì)。在我們的周圍空間不僅存在空氣、實(shí)物粒子流，同時(shí)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(duì)的“空”。

真空：波濤洶涌的負(fù)能粒子海洋

1928年，狄拉克創(chuàng)立了一個(gè)與愛因期坦狹義相對(duì)論相協(xié)調(diào)的量子力學(xué)理論，即描寫單個(gè)電子的相對(duì)性波動(dòng)方程。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這個(gè)狄拉克方程有負(fù)能量的解，這給物理學(xué)詮釋帶來嚴(yán)重困難。如果是這樣，電子就會(huì)一步一步地、無限地向負(fù)能量狀態(tài)躍遷，從而無限制地不斷釋放能量，以至原子發(fā)生災(zāi)難性崩潰。為了避免所有電子都跌入負(fù)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(xiàn)實(shí)世界中，幾乎所有負(fù)能量的狀態(tài)都已被粒子占據(jù)，由于這些粒子服從泡利不相容原理，所以處在正能量狀態(tài)的粒子就不能無限制地躍遷到負(fù)能量態(tài)。

在狄拉克空穴理論預(yù)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(fā)現(xiàn)了正電子。正電子的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)最重大的發(fā)現(xiàn)之一。它證實(shí)了反粒子的存在，證實(shí)了粒子可以產(chǎn)生、也可以湮滅和轉(zhuǎn)化。據(jù)此，量子場(chǎng)論給我們描繪了這么一幅真空?qǐng)D景：在微觀世界，存在一個(gè)起伏不定的負(fù)能量海洋，真空被定義為處于能量最低態(tài)的量子場(chǎng)。真空中充滿了無窮多虛的正、反粒子，具有負(fù)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(shí)間和極短的距離內(nèi)，虛粒子不斷的產(chǎn)生又湮滅、湮滅又產(chǎn)生?！皥?chǎng)”物質(zhì)和實(shí)物粒子之間可以相互轉(zhuǎn)換，在外來電磁場(chǎng)的作用下，真空中虛的正、反粒子就能變成一對(duì)真實(shí)的粒子，物理粒子不過是真空的激發(fā)態(tài)。

“真空”不空，它非常充實(shí)而極其復(fù)雜，著名物理學(xué)家李政道指出：真空是有結(jié)構(gòu)的，是一種凝聚態(tài)。目前，我們對(duì)真空仍然是知之甚少，人們已越來越重視對(duì)真空的研究，物理學(xué)家認(rèn)為，物理學(xué)中許多基本問題的解決還有待于對(duì)真空的認(rèn)識(shí)，真空已成為物理學(xué)中的重要關(guān)注點(diǎn)。

（作者單位：江蘇省灌云高級(jí)中學(xué)）