什么是真空？

真空，顧名思義就是真的是空的，但是按照現(xiàn)代科學(xué)的觀點(diǎn)來看，真空并不“空”，真空中充滿了各種不斷波動(dòng)的粒子，它們出現(xiàn)后卻又在瞬間消失，這些粒子常被稱為虛擬粒子。自從nature報(bào)道瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的科學(xué)家在真空中捕獲到了不斷出現(xiàn)和消失的光子，成功將虛擬光子轉(zhuǎn)變成真實(shí)光子以來，關(guān)于真空的討論便步入無中生有的禪境。

跟我學(xué)物理網(wǎng)賈蘭華老師說：真空這個(gè)問題既古老又新穎，雖然一代又一代的物理學(xué)家對(duì)它做出了回答, 但其答案并不是沿著某一種論點(diǎn)逐漸深化，而是不斷地變革和否定?？v觀物理學(xué)的發(fā)展史, 可以看到, 任何一個(gè)時(shí)期, 人們對(duì)真空的認(rèn)識(shí)始終與當(dāng)時(shí)物理學(xué)基本理論的進(jìn)展密切相關(guān)，每當(dāng)后者有突破性進(jìn)展時(shí), 必然使人們對(duì)前者在認(rèn)識(shí)論上發(fā)生根本性的改變。

在動(dòng)嘴皮子的時(shí)代，有關(guān)真空的討論大都屬于哲學(xué)范疇，是沒有什么結(jié)論的。如早在公元前五世紀(jì)，德漠克利特就提出原子和虛空的學(xué)說，他認(rèn)為, 無限的宇宙之中包含著無限的原子和無限的虛空，原子是所有實(shí)體的構(gòu)成物，虛空是原子運(yùn)動(dòng)的場所，原子是絕對(duì)的充滿，其中沒有任何空隙，虛空是絕對(duì)的空，其中不包含任何物體。而亞里士多德是不相信什么原子說的，在他眼里整個(gè)宇宙由五種物質(zhì)構(gòu)成的，土、氣、水及火組成了地球，天堂由無質(zhì)量且永恒的第五種元素“以太”構(gòu)成。所有的空間至少被其中的一種物質(zhì)填充，不存在“無物”的空間，也就是所謂的“大自然厭惡真空”。

到了十七世紀(jì)，物理學(xué)家托里拆利讓“真空”進(jìn)入實(shí)驗(yàn)時(shí)代，他鼓搗出來一截沒有空氣的真空管，這就是中學(xué)課本上著名的托里拆利實(shí)驗(yàn)。將一根一端封閉的長玻璃管灌滿汞，并倒立于汞槽中時(shí)，管中汞面下降，當(dāng)汞柱不動(dòng)時(shí)，玻璃管汞面上的空間就形成了真空，76厘米高的汞柱是因?yàn)榇嬖诖髿鈮毫Φ木壒省Ｎ锢韺W(xué)家帕斯卡同樣證明托里拆利真空是確實(shí)存在的，他給真空的定義是：真的空間，排出去一切物質(zhì)。

真空真的把一切都排除出去了嗎？就在人們對(duì)此深信不疑，亞里士多德的觀點(diǎn)被打入地獄之際，19世紀(jì)電磁學(xué)的產(chǎn)生讓真空不空的觀點(diǎn)再一次峰回路轉(zhuǎn)，至少人們知道，電磁波是可以存在在真空里的，于是人們將真空引申為沒有物質(zhì)（有質(zhì)量粒子）存在的空間。

給真空賦予嶄新物理內(nèi)容的是狄拉克。他提出真空是充滿了負(fù)能態(tài)的電子的狄拉克海的概念。當(dāng)負(fù)能態(tài)的電子吸收了足夠的能量躍遷到正能態(tài)成為普通電子時(shí)，電子海中就留下可觀測的空穴，即正電子。隨著正電子的發(fā)現(xiàn)，狄拉克海的概念就廣為人們接受了。

從現(xiàn)代量子場論的觀點(diǎn)看，真空是有質(zhì)量粒子的量子場的基態(tài)。在場論中，每種粒子對(duì)應(yīng)于一種量子場，粒子就是場量子化的場量子。當(dāng)空間存在某種質(zhì)量粒子時(shí)，表明這種量子場處于激發(fā)態(tài)；不存在粒子時(shí)，就意味著場處于基態(tài)，也即真空。

也許上述論述對(duì)于親們理解起來有點(diǎn)困難，通俗點(diǎn)說：我們的世界是一片大海。平靜時(shí)是真空，有風(fēng)浪時(shí)便創(chuàng)造出來大量物質(zhì)，當(dāng)然絕對(duì)平靜的大海是沒有的，偶爾也會(huì)翻起幾朵浪花，就是在真空中，場在基態(tài)時(shí)，也會(huì)有粒子出現(xiàn)，只不過隨之又湮滅消失，質(zhì)量粒子來自真空的激發(fā)已經(jīng)成為被當(dāng)代多數(shù)物理學(xué)家接受的概念。

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