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真空的秘密（第1页）

真空的秘密

科学家葛利克在1654年曾做过一个名垂科学史的实验：将用铜精制的两个大半球对接密封起来，然后用他自己发明的抽气机抽出球内空气，派16匹马背向对拉两个半球，马最终竭尽全力才拉开。这表明，我们周围充满空气，并非什么都没有，它对物体施加了压力（球内空气密度因抽气远于小地球外的，导致球外压力远大于球内的）。球内经抽气后的空间，就叫做真空。

*对真空的认识

人类对真空的认识曾经历过几次根本的变革和反复。古希腊德谟克利特提出过原子论：所有的物质都是由原子组成的，原子之外就是虚空。

17世纪，又有了R。笛卡儿的以太漩涡说，他认为空间充满了以太，并用以说明行星的运动。

不久以后，牛顿又通过建立牛顿力学（以运动三定律和万有引力定律为基石）成功地解决了行星绕日运动的问题，认为引力也是超距作用的，无需以太作为传递媒介，这就从根本上证明了以太论的错误。

19世纪又发现了光的波动性，从而得出波的传播必须依靠介质的结论；后来以太论在发现电磁场的波动性后再度兴起，认为不论何时何地宇宙中任何物体内都充满以太，光和电磁波被解释为以太的机械振动。后来在观念上虽然有所变化——把光和电磁波看成电磁场的振动，但以太仍然保留着某种绝对的性质，它被看作是描述万物运动的绝对静止的参考系。

19世纪末20世纪初期，各种试图探测地球相对于以太运动速度的实验都失败了，到爱因斯坦建立狭义相对论，这种作为绝对静止以太的存在才被再次否定了。后来由于爱因斯坦在用场论观点研究引力现象时，已经认识到空无一物的真空观念是有问题的，他曾提出真空是引力场的某种特殊状态的想法。

P。A。M。狄拉克首先了给予真空崭新物理内容。他于1930年提出了真空是充满负能态的电子海。电子海中只有当负能态的电子吸收了足够的能量跃迁到正能态成为普通电子时，才会留下可观测的空穴，即正电子。从体系的能量角度来说，这种情况比只有电子海的真空状态要高，因此真空就是能量最低的状态。从现代量子场论的观点看，每种粒子对应于一种量子场，粒子就是对应的场量子化的场量子。空间存在某种粒子就表明那种量子场处于激发态；反之就意味着场处于基态。因此，真空是没有任何场量子被激发的状态，或者说真空是量子场系统的基态。

近代科学家开始通过实验来检验关于真空的认识。例如氢原子能级的兰姆移位和电子的反常磁矩，实验上已经用非常高的精度证实了真空极化的效应；高能正负电子对撞湮没为高能光子，反之高能光子可使真空激发出大量的粒子，也能很好地证明这一点。

不过，目前物理学家还在探索真空自发破缺和真空相变等问题，对于真空的认识还处于初级探索阶段。

*真空的特性

也许有人认为，真空就是完全空的。其实真空既不是意味着空，也不意味着就是“无”。科学家直至今天依然不能完全排除空气，即使是某一小范围内的。电视机显像管需要高真空才能保证图像清晰，其内真空度达到几十亿分之一个大气压，即其内1立方厘米大小的空间仍有好几百亿个空气分子。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，在高能加速器上，需要管道保持几亿亿分之一个大气压的超高真空，但即使是这样的空间，l立方厘米内仍有近千个空气分子。太空实验室是高度真空的，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，称为技术真空，但它也不空。科学家称完全没有任何实物粒子存在的真空，即技术真空的极限，为“物理真空”。它非但不空，而且极为复杂。按照狄拉克的观点，它是一个填满了负能电子的海洋。

新知博览——反粒子现象

粒子是在原子核以下层次物质的单独形态以及轻子和光子的统称。在历史上，有些粒子曾被称为基本粒子。

所有的粒子都有与其质量、寿命、自旋、同位旋相同，但电荷、重子数、轻子数、奇异数等量子数异号的粒子存在，这种粒子就被称为该种粒子的反粒子。除了某些中性玻色子外，粒子与反粒子是两种不同的粒子。一切粒子都有其相应的反粒子，如质子p的反粒子是反质子，电子e-的反粒子是正电子e+，中子n的反粒子是反中子。而一些中性玻色子如光子、π0介子等，其反粒子就是它们本身。

P。A。M。狄拉克于1928年在预言正电子时最早提出反粒子，1932年又被C。D。安德森实验发现而证实；美国物理学家张伯伦于1956年，在劳伦斯-伯克利国家实验室又发现了反质子。进一步研究发现，狄拉克的空穴理论不能解释所有粒子和反粒子，因为它对玻色子不适用，。根据量子场论，粒子被看作是场的激发态，而反粒子就是这种激发态对应的复共轭激发态。

正反粒子是从场论的观点来认识的，场的激发态表现为粒子；与之对应，场的复共轭激发态表现为反粒子。当γ光子的能量大于某种粒子静能的两倍时，在一定条件下就可产生正反粒子对；反之，正反粒子相遇便会湮没并产生两个光子或三个光子，遵从质量－能量守恒和动量守恒。

迄今为止，几乎所有相对于强作用来说是比较稳定的粒子的反粒子都已被发现。如果反粒子按照通常粒子那样结合起来，就形成了反原子；而由反原子构成的物质，就是反物质了。