真空概念的由来

按人们常规思维,“空”就是一无所有,所以,古代人们把除了陆地、海洋以外的蓝天叫做“天空”。佛门讲的是玄学,相信虚无缥缈的东西,所以对“空”很感兴趣,就连唐僧给他的千年猢狲弟子也起名为“悟空”。

真空是没有空气的意思吗(什么是真空)(1)

后来,人们觉得奇怪:为什么天空会出现刮风、打雷、下雨?于是逐渐明白天空并不是空的。它充满着一种摸不着的气体,所以有了“空气”之称。

随着科学的发展,人们进一步知道空气的组成,并且还可以采用一定的方法把各种组分分馏出来。于是原来所说的“天空”实际上是一种“假空”,必然还有一种“真空”存在。

“真空”的含义也就是在这种前提下应运而生了。那就是把低于大气压的气体状态称之为真空。

1654年,德国马德堡的市长曾用直径为30厘米的两个空心半球紧贴在一起,把球的中间抽成真空,结果用16匹马分成两队对拉,竟然不能把半球拉开。

真空是没有空气的意思吗(什么是真空)(2)

这是最早的真空试验。1878年,英国物理化学家斯旺发明了白帜灯泡,这又在工业上最早运用了电真空器件。从灯泡到电子管,其真空度的要求在不断提高,灯泡大约是10^-2帕~10^-3帕,而电子管要求是10^-4帕。

既然真空就是气体稀薄气压降低,那么气体的压力是怎么产生的呢?

由分子运动的规律知道:气体分子是杂乱无章运动的,分子越多,碰撞的机会越多,分子的自由度越小,分子撞击容器壁部的次数越多,产生的压力也就越大。所以要达到较好的真空,就应减小气体分子的密度。这种抽气的办法很多,如旋片式真空抽气机、油扩散泵、涡轮分子泵,它们可以使真空度达到10^-5帕。

真空度的提高

但是真空度再要提高就比较困难了。一方面,任何容器都有连接部分,不可能做到绝对密封,非常细微的漏孔都会使外界空气渗入,最后抽速和漏率达到动态平衡,真空度就再也不能提高了。另一方面,容器壁面会释放出氢气分子,这些轻的气体无法采用上述手段抽走,于是容器中的氢的分量逐渐增多,真空无法提高。

于是,对于真空的机理有了新的突破,在低真空的要求下,可以把气体分子驱赶出去;在高真空的要求下,有些分子分子死活驱赶不走,就需要采用捆住它的办法,不准乱动乱撞。工业上就是采用内部通液氦的冷板,由于液氦的温度可达4k,任何气体(包括氢气)在这种温度下凝固,所以这样的低温冷板可以捕获容器中残余的气体分子,只要分子撞到冷板上,它就可以粘亡了。正如我们在冬天用手去摸一块冰会被粘住一样。这种办法可以使真空度达到10^-7帕。那么存不存在真空度0帕的真空呢?

纯粹的空间,即绝对真空是不存在的

真空是没有空气的意思吗(什么是真空)(3)

十七世纪的笛卡尔认为“一无所有的空间是不存在的”,他是这样论证的:空间和广延性是同一的,而广延性是与物体相联系的,因此没有物体的空间是不存在的。这个结论最终在爱因斯坦的广义相对论中得到了证实。

真空是没有空气的意思吗(什么是真空)(4)

在爱因斯坦看来,被称为“世界”的闵可夫斯基四维时空是个被抽走了物质和场的纯粹的空间,这样的空间是根本不存在的。空间和时间一起只能作为场的结构性质而存在。没有任何物质粒子就没有空间,即绝对的真空是不存在的。关于真空不空的思想后来被狄拉克的真空新概念进一步体现出来,也被现代观测所证实。

1928年,英国的狄拉克从量子力学的观点出发,赋予“真空”以全新的概念。

真空是没有空气的意思吗(什么是真空)(5)

他通过计算发现:真空中除了具有正能量的电子以外,还存在具有负能量的电子。正常电子如果跌入这种负能量的区域,电子将放出能量并自行消失。因此狄拉克认为,所谓“真空”就是充满具有负能量的电子的状态。

真空是没有空气的意思吗(什么是真空)(6)

按照这种观点,“真空”又不“空”了,因为那里充满着电子,只不过这些电子具有负的能量。因为电子毕竟比原子小四个数量级,比分子小五个数量级,因此无需考虑它们碰撞的问题。

建立起狄拉克新的真空观念以后,基本粒子物理的一些现象就可以解释了。比如,为什么在“一无所有”的真空中,可以反复进行着粒子与反粒子的产生和湮灭。这就是因为真空并不是“一无所有”。又如,是否有“正电子”存在,狄拉克认为:当给真空大的能量时,那里处于负能量的电子就获取能量跃至正能量状态,从而在原负能量状态留下一个空位。由于周围全是负能量,所以这个空位可以看作具有正能量。周围全是带负电荷的电子,空穴也就可以看作具有正电荷,于是狄拉克预言了“正电子”的存在。果然,1932年安德森根据这种预言发现并证实正电子的存在。

真空是没有空气的意思吗(什么是真空)(7)

由此,真空的概念正经历一个新的阶段,但人们处于一种朦胧的理解。随着量子力学与基本粒子物理的发展,相信这种理解还会更加深入,也会促进真空获得、真空应用的进一步发展。

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