關(guān)于“真空”的實(shí)驗(yàn)

關(guān)于“真空”的知識(shí)，在中學(xué)課本中常常和壓強(qiáng)連起到一起去講。而且有一個(gè)關(guān)于“真空”的實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)就是大名鼎鼎的馬德堡半球?qū)嶒?yàn)。說(shuō)的是在1654年，科學(xué)家把一對(duì)完全密合的銅質(zhì)空心半球中的空氣抽掉，讓半球內(nèi)處于幾乎真空的狀態(tài)。

然后驅(qū)動(dòng)馬車去拉開(kāi)這兩個(gè)半球。但無(wú)論馬使多大勁都沒(méi)有能夠拉開(kāi)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)讓讓我們知道了大氣壓力的作用，同時(shí)涉及到了“真空”的屬性。

但是如果你仔細(xì)看上文的表述，你就發(fā)現(xiàn)，我并沒(méi)有用“真空”，而是用“幾乎真空”。這是因?yàn)?，人類在挑?zhàn)真空的路途上，始終不曾觸達(dá)到“絕對(duì)真空”。那這到底是咋回事呢？

真空到底是什么？

真空是指一種不存在任何物質(zhì)的空間狀態(tài)，說(shuō)白了就是一種物理現(xiàn)象。關(guān)于真空的定義，我們要知道的是，在宇宙中其實(shí)不僅僅只有“物質(zhì)”，宇宙中存在的東西遠(yuǎn)比我們想象中的要多得多。

其次，我們都知道，物質(zhì)是由粒子構(gòu)成的，比如：空氣是由氮分子、氧分子等構(gòu)成。

而分子實(shí)際上又是由原子構(gòu)成的。當(dāng)然，原子實(shí)際上也可以再分。

所以，關(guān)于真空的定義，我們?nèi)绻麖奈⒂^的角度來(lái)看，就是說(shuō)沒(méi)有任何粒子存在的空間狀態(tài)。

那么不禁要問(wèn)了，真的存在“真空”狀態(tài)嗎？

存在真空狀態(tài)嗎？

實(shí)際上，真空狀態(tài)還是理論上成立的一個(gè)物理現(xiàn)象。無(wú)論是在地球上，還是宇宙中，“絕對(duì)真空”都是不存在的。目前，最接近于真空狀態(tài)的就是宇宙空間了。那具體是咋回事呢？

這其實(shí)和人類抽真空的手法有關(guān)。這和降溫是一個(gè)道理，我們沒(méi)有辦法把一個(gè)溫度降到絕度零度，這是因?yàn)橹圃斓蜏厥且揽繜醾鬟f。說(shuō)白了，就是拿一個(gè)低溫的去給高溫的降溫。如果要把一個(gè)物體降低到絕對(duì)零度，那就需要用比絕對(duì)零度還低的溫度來(lái)給它降溫，可問(wèn)題是絕對(duì)零度已經(jīng)是最低溫度了，所以不存在比絕對(duì)零度還低的溫度。

同樣的，抽真空的辦法，說(shuō)白了就是利用“更真空”來(lái)均，要降低到絕對(duì)真空，就得依靠比絕對(duì)真空還空的空間。但絕對(duì)真空已經(jīng)是最真空的狀態(tài)了，因此，不存在比絕對(duì)真空還真空的空間。

宇宙空間中的真空程度其實(shí)要遠(yuǎn)比我們?nèi)祟愖龀鰜?lái)的真空還要空。科學(xué)家可以通過(guò)觀測(cè)和理論計(jì)算出宇宙的平均密度，他們就發(fā)現(xiàn)，宇宙的平均密度大概是1*10^-28千克/立方米。這是啥水平呢？

如果把宇宙中的粒子都看成是氫原子，那這概就是一立方米里只有一個(gè)氫原子的水平。所以，這個(gè)水平已經(jīng)是非?？諘缌?，遠(yuǎn)超人類創(chuàng)造真空的水平，但還不是真空。

那宇宙能最終真空嗎？

實(shí)際上并不會(huì)，我們知道，宇宙中是有物質(zhì)的，而宇宙其實(shí)可以看成是一個(gè)空間。宇宙之所以物質(zhì)密度很低是因?yàn)橛钪娲蟊ㄖ罂臻g就在膨脹，而且由于早期存在一個(gè)暴脹期，物質(zhì)是非常均勻地分布在宇宙空間中的。隨著宇宙空間的膨脹，物質(zhì)密度是逐漸降低的，但無(wú)論如何，這些物質(zhì)只要還在，宇宙就不會(huì)是真空，只能無(wú)限接近于真空。而物質(zhì)是不可能憑空消失，所以，宇宙永遠(yuǎn)不會(huì)變成真空。

真空中是什么都沒(méi)有嗎？

實(shí)際上，這個(gè)問(wèn)題我們可以直接給出答案：并不是。真空遠(yuǎn)比我們想象中的要熱鬧許多。我們剛才說(shuō)到過(guò)，真空只是指“沒(méi)有物質(zhì)”。但宇宙中不僅僅有物質(zhì)，還有很多其他的東西。

• 場(chǎng)

我們來(lái)舉個(gè)例子，初高中我們都有學(xué)過(guò)電磁學(xué)，其中就會(huì)涉及到電磁場(chǎng)。就拿磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)，你說(shuō)它是物質(zhì)準(zhǔn)確嗎？它雖然不是實(shí)物粒子構(gòu)成的，但它又實(shí)實(shí)在在存在。

隨著物理學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在宇宙空間中不僅僅存在著磁場(chǎng)，還存在著其他的場(chǎng)。比如：希格斯場(chǎng)。上世紀(jì)科學(xué)家在研究質(zhì)量的時(shí)候就發(fā)現(xiàn)，物體的質(zhì)量99%來(lái)自于強(qiáng)力束縛夸克所釋放出的能量質(zhì)能等價(jià)為質(zhì)量，可問(wèn)題是，剩余1%的粒子的質(zhì)量到底是從哪來(lái)的呢？

后來(lái)，科學(xué)家提出了一個(gè)希格斯場(chǎng)的理論，他們認(rèn)為宇宙空間中遍布著希格斯場(chǎng)，這個(gè)希格斯場(chǎng)賦予了粒子質(zhì)量。2012年，歐洲核子中心的LHC找到了上帝粒子希格斯玻色子，證明了希格斯場(chǎng)的存在。這個(gè)希格斯場(chǎng)其實(shí)就類似于磁場(chǎng)一樣，你看不見(jiàn)，摸不著，但它真的存在。

所以，真空中是存在著各種“場(chǎng)”，正是它們的存在，確保了物質(zhì)能夠構(gòu)成。

• 量子漲落

除了“場(chǎng)”，空間中還存在著“量子漲落”，這個(gè)是指在空間中，任意位置對(duì)于能量的暫時(shí)變化。這其實(shí)是一種量子效應(yīng)。這種效應(yīng)的存在使得真空也顯得格外的熱鬧。

• 暗物質(zhì)和暗能量

隨著天文學(xué)和物理學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，我們對(duì)于“物質(zhì)”的理解并不全面。我們所能夠看到的物質(zhì)被我們稱為可見(jiàn)物質(zhì)。他們?cè)谟钪嬷袃H僅占據(jù)了不到5%的比例，而在宇宙還存在著95%以上看不到的物質(zhì)，它們就是暗物質(zhì)和暗能量。

如今我們對(duì)于暗能量的了解幾乎為0，但是正是在它們的驅(qū)動(dòng)下，宇宙在加速膨脹。而暗物質(zhì)其實(shí)只參與到引力當(dāng)中，它大概率是彌漫在整個(gè)空間當(dāng)中的，可能此刻正在穿過(guò)我們的身體，但由于它不參與電磁作用，因此，我們感覺(jué)不到。因此，看似真空的空間中，也很有可能會(huì)存在暗物質(zhì)和暗能量。

因此，真空真的不是什么都沒(méi)有，相反，真空很熱鬧，而且還有不少東西，只是它們并非是可見(jiàn)物質(zhì)而已。