真空

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  真空汉语拼音:Zhenkong;英语:Vacuum),按其词源本义是虚空,即一无所有的空间;按现代物理的观点,真空不空,其中包含着极为丰富的物理内容。

  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P.A.M.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。

  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。