第12章 体验宇宙静态质量(五)
真空是物理学里面的一个概念,最开始反映的是空无一物的状态,类似于“无”。20世纪pam狄拉克提出了所谓量子真空的概念,即真空并不是空无一物而是时刻有虚粒子与实物粒子转化的,但整体是对外不显物理属性的宏观总体。真空是能量海,是一个不断震荡的充满着巨大能量的客观存在;而空间只是数学上的一个概念,是反映的是运动的属性和几何大小的概念。也就是说,空间和真空一个是数学概念一个是物理概念,二者没有丝毫的包含关系。真空的属性的确需要使用空间来描述,但那只是种数学表示,是为了方便研究才引入的参量,并不是说真空的性质取决于空间。
认识过程
人类关于真空的认识经历了几次根本的变革和反复。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,原子之外就是虚空。17世纪r笛卡儿提出以太漩涡说,认为空间充满了以太,并用以说明行星的运动。不久i牛顿建立以运动三定律和万有引力定律为基石的牛顿力学,成功地解决了行星绕日运动问题,引力被认为是超距作用的,无需以太阳作为传递媒介,从而否定了以太论。19世纪发现光的波动性,认为波的传播必须依靠介质,特别是后来发现了电磁场的波动性,以太论再度兴起,认为宇宙中不论何时何地,任何物体内无不充满了以太,光和电磁波被解释为以太的机械振动。后来虽然在观念上有所变化,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,它可以看成是描述万物运动的绝对静止的参考系。19世纪末20世纪初各种试图探测地球相对于以太运动速度的实验均告失败,a爱因斯坦建立狭义相对论,再次否定了这种作为绝对静止以太的存在。稍后,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。首先给予真空崭新物理内容的是pam狄拉克。狄拉克于1930年为了摆脱狄拉克方程负能解的困境,提出真空是充满了负能态的电子海。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,电子海中才能留下可观测的空穴,即正电子。从体系的能量角度考查,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,每一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。当空间存在某种粒子时,表明那种量子场处于激发态;反之不存在粒子时,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。
真空断路器
关于真空的近代认识不再是哲学上的思辨,而是可通过实验来检验的。有不少现象都需要用真空的近代观念予以说明。例如氢原子能级的兰姆移位和电子的反常磁矩,实验上已经以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,也是很好的明证。对于真空的认识尚属初级探索阶段,物理学家还在探索真空自发破缺和真空相变等问题,必将推动物理学的进一步发展。
在真空科学中,真空的含义是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态。人们通常把这种稀薄的气体状态称为真空状况。这种特定的真空状态与人类赖以生存的大气在状态相比较,主要有如下几个基本特点:( 1 )真空状态下的气体压力低于一个大气压,因此,处于地球表面上的各种真空容器中,必将受到大气压力的作用,其压强差的大小由容器内外的压差值而定。由于作用在地球表面上的一个大气压约为 101325n/m2,因此当容器内压力很小时,则容器所承受的大气压力可达到一个大气压。
( 2 )真空状态下由于气体稀薄,单位体积内的气体分子数,即气体的分子密度小于大气压力的气体分子密度。因此,分子之间、分子与其他质点(如电子、离子等)之间以及分子与各种表面(如器壁)之间相互碰撞次数相对减少,使气体的分子自由程增大。
技术概括
vacuum technique使气体压强低于地面大气压强的技术。
真空是指压强远小于101325千帕(kpa)(即1大气压)的稀薄气体空间。在真空技术中除国际单位制的压强单位pa外,常以托(torr)作为真空度的单位。1托等于1毫米高的汞柱所产生的压强,即1torr=1333224pa。
按气体压强大小的不同,通常把真空范围划分为:低( 真空 )1x105 ~1x102pa,中真空1x102~1x10-1pa,高真空1x10-1~1x10-5pa,超高真空1x10-5~1x10-9 pa,极高真空1x10-9pa以下。
真空本指没有任何实物粒子存在的空间,但什么都没有的空间是不存在的。而假设你把一个空间的气体都赶跑,会发现还是时不时有基本粒子在真空中出现又消失,无中生有。物理上的真空实际上是一片不停波动的能量之海。当能量达到波峰,能量转化为一对对正反基本粒子,当能量达到波谷,一对对正反基本粒子又相互湮灭,转化为能量。