真空中的奇妙世界

1654年，科学家葛利克做过一个有名的“马拉铜球”的实验，以表明我们周围并非什么也没有，而是充满空气：空气对物体施加压力，以至于16匹马都得十分费力才能把抽空气体的铜球拉开。人们把类似铜球内经抽气后的空间，叫做“真空”。

　　但是，真空其实不空。直到今天，科学家甚至不能完全排除某一小范围内的空气。电视机显像管需要高真空才能保证图像清晰，其内部真空度达到几十亿分之一个大气压这样的真空内，1立方厘米大小的空间也有好几百亿个空气分子。在高能加速器上，为防止加速的基本粒子与管道中的空气分子碰撞而损失能量，需要管道保持几亿亿分之一个大气压的“超高真空”；即使在这样的空间，1立方厘米内还有近千个空气分子；即使在高度真空的太空实验室里，每立方厘米的空间也有几个空气分子。

　　上述以抽出空气方式得到的真空，叫做“技术真空”。科学家把技术真空的极限(即完全没有任何实物粒子存在的真空)称为“物理真空”。

　　可是在一些人看来，“物理真空”内部非但不空，而且十分复杂。按照狄拉克的观点，它是一个填满了“负能电子”的海洋。20世纪20年代，英国物理学家狄拉克结合狭义相对论和量子力学，建立了一个描述电子运动的方程。它一方面十分正确地描述了电子运动，另一方面又预言了科学家当时尚未认识的负能量电子。

　　自然界一切物体的能量总是正的。高山流水能冲刷堤岸、推动机器，它们有(正)能量；高速运动的电子能使电视荧光屏发光，它们也有(正)能量。如果说电子具有负能量，就意味着加速它时，它反而减速；向左推它时，它向右运动。

　　按照量子力学，两个电子不能处在完全相同的状态上，就如一个座位通常只能坐一个人。但狄拉克认为，所有负能状态通常是“满员”的，它被无穷多的负能电子占据。因此，正能电子其实是不能永无止境地发射能量的，其能量甚至不能降至零。这意味着，即使一个没有任何实物粒子的空间，也是一个充满无穷多个负能电子的大海。一个负能电子可通过吸收足够多的能量而转变为具有正能量的普通电子，尔后在负电子海洋中留下一个空穴，即少了一份负能量和一个负电子，这相当于给了海洋一个带正电荷和正能量的反电子(或正电子)。

　　1932年，美国物理学家安德逊果然找到了它，狄拉克的理论也终于为大家所接受。质子和中子也有负能反粒子，物理真空还可分别由它们(负能质子或负能中子)填充。在物理真空中，正、反粒子对可不断地产生、消失或消失后又产生，它们生存时间短，瞬息万变，迄今还未观测到，称为虚粒子。它们在一定条件下可产生一些物理效应。例如，一个重原子核周围的虚核子(反质子和反中子)在强电场作用下，会排列起来，出现正负极性，称为真空极化，这将影响核外电子的分布，导致原子核结构改变。

　　粒子与反粒子碰到一起，变成一束光子。反之，一束光子也可从物理真空中打出粒子与反粒子。质子与中子等并非终极基本粒子，而是由更基本的“夸克”所组成。夸克有六种“味”，即上夸克、下夸克、粲夸克、奇(异)夸克、顶夸克和底夸克。它们在质子、中子等粒子内部几乎作自由运动，但不能脱离这些粒子而单独存在。它们似乎被一种强大的力囚禁了起来。按照“口袋模型”，粒子就如物理真空中运动的大口袋，口袋里装有夸克，夸克间存在很微弱的相互作用，由一种叫做胶子的粒子传递。

　　粒子衰变或破碎为两种或两种以上的其它粒子时，可看作一个口袋变成两个或两个以上的口袋。同样，两个或两个以上的粒子聚合成一个大粒子，就相当于多个口袋合成一个大口袋。于是，在破碎和聚合的过程中，永远找不到单个夸克。口袋的分解或聚合就如液体(如肥皂水)中气泡的分解和合成。气泡内气体分子几乎是自由运动的，大气泡可以分解成小气泡，小气泡也可合并成大气泡。若基本粒子如小气泡，则物理真空就如液体。这种液体性质独特，它只能一对对地产生气泡，或一对对地消失。

　　按照口袋模型，口袋里面(或气泡里面)叫做“简单真空”，外面是物理真空，这形成真空的两种“相”。物理真空在一定条件下可变成简单真空，就如日常生活中三相间的转变一样。固体受热变液体，液体受热变气体，这些只需几百度或成千上万度就可发生。温度高达几十万、几百万或几千万度时，气体原子就要解体，变成叫做离子的带电粒子。同样，温度足够高时，口袋也将解体，质子、中子等基本粒子不再是基本的物质形式，它们将成一锅由夸克和胶子组成的高温粥，称为夸克胶子等离子体，物理真空也就成了简单真空。

　　计算机模拟实验表明，物理真空熔化为简单真空，需2万亿度以上的高温，这个熔化的物理真空也叫“熔融真空”。重原子核可以包含上百个质子和中子，其内空间正常状态下是个很好的物理真空。科学家希望通过碰撞来加热它，使其熔化，获得简单真空。目前在高能实验室中，质子和原子核间的碰撞能量已达几百兆电子伏特，这已相当于将原子核加热到了几万亿度，但由于质子(与原子核比较)太小，只将原子核穿了一个洞，并未将整个原子核熔化。

　　科学家正在设法利用重原子核的碰撞来实现熔融真空。熔融真空实验之所以重要，不仅在于它能直接检验关于基本粒子结构的一些理论假设，还在于其实验结果可能有助于科学家理解宇宙的早期演化。

　　按照大爆炸模型，我们的宇宙始于约150亿年前的一次巨大爆炸。爆炸发生的一瞬间，温度远远超过熔融真空所需温度，故早期的宇宙应是夸克胶子等离子体。随着宇宙的膨胀，温度逐渐降低，简单真空也向物理真空转化，出现了构成今天物质世界的基本粒子。预期在真空转化过程中，应存在由50个或以上的夸克所组成的物质结构(通常的粒子只包含2个或3个夸克)。熔融真空实验是对这种早期宇宙演化的模拟，是一种理解宇宙演化的重要手段。

　　为了测量真空熔化时放出的大量粒子，需在非常小的锥体内同时测量上千个粒子，这是前所未有的，迄今还没有人能够在一次碰撞事例中测量上百个粒子。科学家即使用分辨率很高的乳胶探测器，也无能为力，它也不适宜于探测高能加速器实验中的夸克胶子等离子体。这些困难经常困扰着科学家并激励他们去解决。

　　

　　[责任编辑]　蒲　晖

　　

　　相关链接：人类认识真空的历程

　　

　　真空词源本义是虚空，即一无所有的空间。古希腊德谟克利特的原子论认为，所有的物质都是由原子组成，而原子之外就是虚空。中国古代张载、王夫之的元气学说则与此相反，认为世上万物皆由元气形成，而“阴阳二气充满太虚，此外更无他物，亦无间隙”。近代物理学的发展史中，也贯穿着关于真空的这两种观点的斗争：与虚空论相对立的是以太论，它认为空间中总是充满了一种叫做“以太”的特殊物质。爱因斯坦的狭义相对论指出，光和电磁场本身就是一种物质，可在空间中传播，否定了以太存在。

　　如果真空是没有任何物质的空间，那么真空本身的各种性质由什么决定的呢?爱因斯坦在用场的观点研究引力现象之后，便意识到真空即空的空间这一观点有问题，曾提出过真空不过是引力场的一种特殊状态的想法。其后，现代物理学的发展，终于获得了对真空的科学的认识，即真空是量子场系统的基态。

　　按照现代物理学的基础理论——量子场论，物理世界是由各种量子场系统组成的，这些量子场系统的能量最低的状态(即基态)就是真空。根据这种最新的科学认识，真空并不是“没有物质的空间”。