真空真的就是空无一物?讲真,你可能真的误解它了!
在回答这个问题之前,先得弄清楚什么是真空。
真空里面有魔鬼?
真空本来的含义是“没有物质的空间”。古希腊的亚里斯多德曾提出,真空不可能存在。中世纪时,人们曾提出一种思想实验:考虑了当两个平板迅速分离时,两个平板之间应该是真空——哪怕只是瞬间。有哲学家提出,大自然极度厌恶真空,所以不让真空出现,即使在瞬间产生,物质就会马上来填充这些空间,这种观点称之为“恐怖真空”。
真空的研究和利用
1654年,德国马德堡市的市长奥托·冯·盖里克发明了第一台真空泵,并进行了他著名的马格德堡半球实验。结果表明,由于半球外的大气压力,马队无法将两个部分排空空气的半球分开。随后,Robert Boyle改进了盖里克的设计,并在胡克的帮助下进一步开发了真空泵技术。
此后,对部分真空的研究一直持续到1850年,当时奥古斯特·托普勒发明了托普勒泵,1855年海因里希·盖斯勒发明了水银置换泵,实现了气压约为10Pa的真空。
部分真空与完美真空
现在,绝大多数情形下,我们说真空是指气压远远低于标准大气压的空间。言下之意,只要空间仅含有极为稀薄的气体,我们就可称之为真空。当然,如果你是一个非常严谨的人,你可以称之为“部分真空”。但恐怕别人觉得这是画蛇添足。
而你心目中的那种“彻底的空无一物”的真空被称作“完美真空(perfect vacuum)”或叫“自由空间(free space)”,它是指:空间中不存在任何具有能量和动量的粒子,即排除掉任何物质粒子(例如原子、电子等)和场粒子(例如光子)的空间,并且,广义相对论下的爱因斯坦张量的所有分量都为零。
真空主要靠抽
你可能不太理解,不就是把容器中的气体都去掉嘛,就这么难吗?真的不是你想像的那么简单。
你想想,有什么方法能有效的赶走那些空气分子呢?千百年来,人们想过很多方法,例如,将一个密闭的空间拉大;再就是,让某种气体充满一个密闭空腔然后通过化学反应将其消耗变为固体等。但真正行之有效的方法还是看起来更简单粗暴的抽气——当然是借助各种高精尖的真空泵的组合使用来实现。之所以说“看起来更简单”,是因为这种方法虽然最容易想到,貌似简单,其实一点也不简单。
真空度与真空级别
真空的程度,叫做真空度。
一般情况下,真空度主要由压强来表征。
真空度从低到高,分为5个级别,依次分别是:低真空,压强在100Pa以上,可借助普通钢和真空泵获得;中真空,压强在100到0.1Pa之间,一般借助不锈钢和真空泵获得;高真空,压强在0.1到 Pa之间,可通过不锈钢、弹性体密封件和高真空泵实现;超高真空,压强在 到 Pa之间,可通过低碳不锈钢、金属密封件、特殊表面处理和清洁、烘烤和高真空泵实现;极高真空,压强低于 Pa,可通过真空烧结低碳不锈钢、金属密封件、特殊表面处理和清洁、烘烤和额外的吸气剂泵来实现。
高真空应用的一个例子
常用来测量电磁辐射通量的克鲁克斯辐射计就是工作在高真空区域的,它的主体是一个被抽成高真空的玻璃泡,内有一组可旋转的叶片。叶片暴露在光线下时,叶片附近的气体分子吸收光后碰撞叶片产生压力,由于叶片两侧对光吸收率不同,所导致的压力差使叶片发生旋转,旋转速度越快,光线就越强,从而提供了电磁辐射强度的定量测量。
完美真空的本质
以上就是传统真空的那些事。但真空的内涵远不止这些。
从上世纪30年代以来,随着量子理论的发展,人们认识到即使是完美真空,实际上也不是一直都是空的。这其中最重要的理论是1930年狄拉克提出的“狄拉克海”的真空模型。他认为完美真空实际上是由无限多个具有负能的电子填充而成的。如果让高能伽马射线射入真空中,有可能从中打出一个电子来,而在真空中留下一个空穴,这个空穴就是正电子,果然,两年后安德森就发现了正电子。
真空的温度是多少?
最后,来看本文开头给出的问题:真空既然什么都没有,那应该是绝对零度吧?光照真空会不会产生高温?要回答这个问题,得首先搞清楚,这里的“真空”是指什么?是完美真空?还是宇宙中的星际空间?还是实验室中制造出的各种不同真空度的真空?如果是完美真空,那什么都没有,那何来做无规则热运动的粒子?那自然也就无法定义温度了,因此不是说它的温度是绝对零度,而是温度根本不存在!
如果是指星际空间,每立方厘米只有那么寥寥无几的粒子,那也无法达到热力学的要求——大量做无规则热运动的粒子构成的系统,因此依然无法定义温度?且慢!那宇宙的背景温度为2.725K,这又是怎么回事呢?