1654年，科學(xué)家葛利克做過一個(gè)有名的“馬拉銅球”的實(shí)驗(yàn)，以表明我們周圍并非什么也沒有，而是充滿空氣：空氣對(duì)物體施加壓力，以至于16匹馬都得十分費(fèi)力才能把抽空氣體的銅球拉開。人們把類似銅球內(nèi)經(jīng)抽氣后的空間，叫做“真空”。

但是，真空其實(shí)不空。直到今天，科學(xué)家甚至不能完全排除某一小范圍內(nèi)的空氣。電視機(jī)顯像管需要高真空才能保證圖像清晰，其內(nèi)部真空度達(dá)到幾十億分之一個(gè)大氣壓這樣的真空內(nèi)，1立方厘米大小的空間也有好幾百億個(gè)空氣分子。在高能加速器上，為防止加速的基本粒子與管道中的空氣分子碰撞而損失能量，需要管道保持幾億億分之一個(gè)大氣壓的“超高真空”；即使在這樣的空間，1立方厘米內(nèi)還有近千個(gè)空氣分子；即使在高度真空的太空實(shí)驗(yàn)室里，每立方厘米的空間也有幾個(gè)空氣分子。

上述以抽出空氣方式得到的真空，叫做“技術(shù)真空”?？茖W(xué)家把技術(shù)真空的極限(即完全沒有任何實(shí)物粒子存在的真空)稱為“物理真空”。

可是在一些人看來，“物理真空”內(nèi)部非但不空，而且十分復(fù)雜。按照狄拉克的觀點(diǎn)，它是一個(gè)填滿了“負(fù)能電子”的海洋。20世紀(jì)20年代，英國物理學(xué)家狄拉克結(jié)合狹義相對(duì)論和量子力學(xué)，建立了一個(gè)描述電子運(yùn)動(dòng)的方程。它一方面十分正確地描述了電子運(yùn)動(dòng)，另一方面又預(yù)言了科學(xué)家當(dāng)時(shí)尚未認(rèn)識(shí)的負(fù)能量電子。

自然界一切物體的能量總是正的。高山流水能沖刷堤岸、推動(dòng)機(jī)器，它們有(正)能量；高速運(yùn)動(dòng)的電子能使電視熒光屏發(fā)光，它們也有(正)能量。如果說電子具有負(fù)能量，就意味著加速它時(shí)，它反而減速；向左推它時(shí)，它向右運(yùn)動(dòng)。

按照量子力學(xué)，兩個(gè)電子不能處在完全相同的狀態(tài)上，就如一個(gè)座位通常只能坐一個(gè)人。但狄拉克認(rèn)為，所有負(fù)能狀態(tài)通常是“滿員”的，它被無窮多的負(fù)能電子占據(jù)。因此，正能電子其實(shí)是不能永無止境地發(fā)射能量的，其能量甚至不能降至零。這意味著，即使一個(gè)沒有任何實(shí)物粒子的空間，也是一個(gè)充滿無窮多個(gè)負(fù)能電子的大海。一個(gè)負(fù)能電子可通過吸收足夠多的能量而轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂姓芰康钠胀娮?，爾后在?fù)電子海洋中留下一個(gè)空穴，即少了一份負(fù)能量和一個(gè)負(fù)電子，這相當(dāng)于給了海洋一個(gè)帶正電荷和正能量的反電子(或正電子)。

1932年，美國物理學(xué)家安德遜果然找到了它，狄拉克的理論也終于為大家所接受。質(zhì)子和中子也有負(fù)能反粒子，物理真空還可分別由它們(負(fù)能質(zhì)子或負(fù)能中子)填充。在物理真空中，正、反粒子對(duì)可不斷地產(chǎn)生、消失或消失后又產(chǎn)生，它們生存時(shí)間短，瞬息萬變，迄今還未觀測(cè)到，稱為虛粒子。它們?cè)谝欢l件下可產(chǎn)生一些物理效應(yīng)。例如，一個(gè)重原子核周圍的虛核子(反質(zhì)子和反中子)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，會(huì)排列起來，出現(xiàn)正負(fù)極性，稱為真空極化，這將影響核外電子的分布，導(dǎo)致原子核結(jié)構(gòu)改變。

粒子與反粒子碰到一起，變成一束光子。反之，一束光子也可從物理真空中打出粒子與反粒子。質(zhì)子與中子等并非終極基本粒子，而是由更基本的“夸克”所組成。夸克有六種“味”，即上夸克、下夸克、粲夸克、奇(異)夸克、頂夸克和底夸克。它們?cè)谫|(zhì)子、中子等粒子內(nèi)部幾乎作自由運(yùn)動(dòng)，但不能脫離這些粒子而單獨(dú)存在。它們似乎被一種強(qiáng)大的力囚禁了起來。按照“口袋模型”，粒子就如物理真空中運(yùn)動(dòng)的大口袋，口袋里裝有夸克，夸克間存在很微弱的相互作用，由一種叫做膠子的粒子傳遞。

粒子衰變或破碎為兩種或兩種以上的其它粒子時(shí)，可看作一個(gè)口袋變成兩個(gè)或兩個(gè)以上的口袋。同樣，兩個(gè)或兩個(gè)以上的粒子聚合成一個(gè)大粒子，就相當(dāng)于多個(gè)口袋合成一個(gè)大口袋。于是，在破碎和聚合的過程中，永遠(yuǎn)找不到單個(gè)夸克?？诖姆纸饣蚓酆暇腿缫后w(如肥皂水)中氣泡的分解和合成。氣泡內(nèi)氣體分子幾乎是自由運(yùn)動(dòng)的，大氣泡可以分解成小氣泡，小氣泡也可合并成大氣泡。若基本粒子如小氣泡，則物理真空就如液體。這種液體性質(zhì)獨(dú)特，它只能一對(duì)對(duì)地產(chǎn)生氣泡，或一對(duì)對(duì)地消失。

按照口袋模型，口袋里面(或氣泡里面)叫做“簡(jiǎn)單真空”，外面是物理真空，這形成真空的兩種“相”。物理真空在一定條件下可變成簡(jiǎn)單真空，就如日常生活中三相間的轉(zhuǎn)變一樣。固體受熱變液體，液體受熱變氣體，這些只需幾百度或成千上萬度就可發(fā)生。溫度高達(dá)幾十萬、幾百萬或幾千萬度時(shí)，氣體原子就要解體，變成叫做離子的帶電粒子。同樣，溫度足夠高時(shí)，口袋也將解體，質(zhì)子、中子等基本粒子不再是基本的物質(zhì)形式，它們將成一鍋由夸克和膠子組成的高溫粥，稱為夸克膠子等離子體，物理真空也就成了簡(jiǎn)單真空。

計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)表明，物理真空熔化為簡(jiǎn)單真空，需2萬億度以上的高溫，這個(gè)熔化的物理真空也叫“熔融真空”。重原子核可以包含上百個(gè)質(zhì)子和中子，其內(nèi)空間正常狀態(tài)下是個(gè)很好的物理真空?？茖W(xué)家希望通過碰撞來加熱它，使其熔化，獲得簡(jiǎn)單真空。目前在高能實(shí)驗(yàn)室中，質(zhì)子和原子核間的碰撞能量已達(dá)幾百兆電子伏特，這已相當(dāng)于將原子核加熱到了幾萬億度，但由于質(zhì)子(與原子核比較)太小，只將原子核穿了一個(gè)洞，并未將整個(gè)原子核熔化。

科學(xué)家正在設(shè)法利用重原子核的碰撞來實(shí)現(xiàn)熔融真空。熔融真空實(shí)驗(yàn)之所以重要，不僅在于它能直接檢驗(yàn)關(guān)于基本粒子結(jié)構(gòu)的一些理論假設(shè)，還在于其實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能有助于科學(xué)家理解宇宙的早期演化。

按照大爆炸模型，我們的宇宙始于約150億年前的一次巨大爆炸。爆炸發(fā)生的一瞬間，溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過熔融真空所需溫度，故早期的宇宙應(yīng)是夸克膠子等離子體。隨著宇宙的膨脹，溫度逐漸降低，簡(jiǎn)單真空也向物理真空轉(zhuǎn)化，出現(xiàn)了構(gòu)成今天物質(zhì)世界的基本粒子。預(yù)期在真空轉(zhuǎn)化過程中，應(yīng)存在由50個(gè)或以上的夸克所組成的物質(zhì)結(jié)構(gòu)(通常的粒子只包含2個(gè)或3個(gè)夸克)。熔融真空實(shí)驗(yàn)是對(duì)這種早期宇宙演化的模擬，是一種理解宇宙演化的重要手段。

為了測(cè)量真空熔化時(shí)放出的大量粒子，需在非常小的錐體內(nèi)同時(shí)測(cè)量上千個(gè)粒子，這是前所未有的，迄今還沒有人能夠在一次碰撞事例中測(cè)量上百個(gè)粒子?？茖W(xué)家即使用分辨率很高的乳膠探測(cè)器，也無能為力，它也不適宜于探測(cè)高能加速器實(shí)驗(yàn)中的夸克膠子等離子體。這些困難經(jīng)常困擾著科學(xué)家并激勵(lì)他們?nèi)ソ鉀Q。

[責(zé)任編輯] 蒲 暉

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真空詞源本義是虛空，即一無所有的空間。古希臘德謨克利特的原子論認(rèn)為，所有的物質(zhì)都是由原子組成，而原子之外就是虛空。中國古代張載、王夫之的元?dú)鈱W(xué)說則與此相反，認(rèn)為世上萬物皆由元?dú)庑纬?，而“陰陽二氣充滿太虛，此外更無他物，亦無間隙”。近代物理學(xué)的發(fā)展史中，也貫穿著關(guān)于真空的這兩種觀點(diǎn)的斗爭(zhēng)：與虛空論相對(duì)立的是以太論，它認(rèn)為空間中總是充滿了一種叫做“以太”的特殊物質(zhì)。愛因斯坦的狹義相對(duì)論指出，光和電磁場(chǎng)本身就是一種物質(zhì)，可在空間中傳播，否定了以太存在。

如果真空是沒有任何物質(zhì)的空間，那么真空本身的各種性質(zhì)由什么決定的呢?愛因斯坦在用場(chǎng)的觀點(diǎn)研究引力現(xiàn)象之后，便意識(shí)到真空即空的空間這一觀點(diǎn)有問題，曾提出過真空不過是引力場(chǎng)的一種特殊狀態(tài)的想法。其后，現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展，終于獲得了對(duì)真空的科學(xué)的認(rèn)識(shí)，即真空是量子場(chǎng)系統(tǒng)的基態(tài)。

按照現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)理論——量子場(chǎng)論，物理世界是由各種量子場(chǎng)系統(tǒng)組成的，這些量子場(chǎng)系統(tǒng)的能量最低的狀態(tài)(即基態(tài))就是真空。根據(jù)這種最新的科學(xué)認(rèn)識(shí)，真空并不是“沒有物質(zhì)的空間”。