真空的世界

吳再豐

絕大多數(shù)人認(rèn)為真空是空蕩蕩的、沒有空氣的空間。實(shí)際上，科學(xué)告訴我們，無論在宇宙空間還是微觀世界，不可能存在“完全的真空”。為了能夠計(jì)量真空度，通常我們用氣壓來表示其大小。按定義，1個(gè)氣壓是指每立方厘米約有10¹⁹個(gè)分子，即骰子大小的空間有1兆個(gè)的1000萬倍這樣驚人數(shù)字的分子到處飛舞。隨著從地表走向高空，氣壓逐步下降，更接近真空。

在微觀世界，理應(yīng)什么也沒有的真空中，實(shí)際上充滿著忽隱忽現(xiàn)的粒子，它們的狀態(tài)變化得十分迅速，以至于無法被看到。真空具有能量，則是因?yàn)闀r(shí)間和能量的“測不準(zhǔn)原理”決定的。該原理認(rèn)為，不可能同時(shí)知道同一粒子的位置和動(dòng)量。但是，平均而言，量子能量的漲落是恒定的。

再者，能量與粒子的關(guān)系，按愛因斯坦的質(zhì)能互換方程，質(zhì)量與能量是等效的，所以真空的能量值的漲落可以導(dǎo)致基本粒子生成：在極短的時(shí)間內(nèi)，一對正反粒子可以從真空中“借來”能量而產(chǎn)生，然后又在極短的時(shí)間內(nèi)，通過相互湮滅的途徑把能量“還給”真空。難怪從宏觀上人類感覺不到它們的存在。

基本粒子實(shí)驗(yàn)中的真空

基本粒子實(shí)驗(yàn)用加速器的真空要求比在航天飛機(jī)繞地軌道上(距地面約400千米，約10億分之一氣壓)還低壓的真空。日本高能加速器研究所的“B工廠”要求氣壓在1兆分之一氣壓以下。

B工廠是在周長約3千米的束導(dǎo)管中，讓100億個(gè)電子和正電子形成團(tuán)塊，圍繞著環(huán)旋轉(zhuǎn)，觀察相互碰撞的基本粒子衰變方式的裝置。如果束導(dǎo)管中殘留許多干擾分子，就會(huì)使好不容易加速的電子或正電子與干擾分子碰撞而消失了。為了有效進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，盡可能讓旋轉(zhuǎn)的電子和正電子保持長時(shí)間穩(wěn)定，這樣真空當(dāng)然必不可少了。真空是左右加速器性能的關(guān)鍵因素。

那么，1兆分之一氣壓的真空有多“稀疏”呢?為了實(shí)際感受其稀疏程度，暫且做這樣一個(gè)計(jì)算。例如1個(gè)大氣壓的情形是每立方厘米中存在10¹⁹個(gè)分子，在此，假定把1個(gè)分子大小考慮為玻璃球的大小(半徑1厘米)，大致計(jì)算一下，則變?yōu)槊窟?000千米的立方體中存在10¹⁹個(gè)玻璃球。由此計(jì)算存在一個(gè)玻璃球的空間，1個(gè)大氣壓的稀疏程度是每邊1米的立方體有一個(gè)玻璃球。按這樣考慮1兆分之一氣壓的情形，相當(dāng)于每邊約10千米的立方體有1個(gè)玻璃球，由、此可以想象B工廠的束導(dǎo)管中是多么稀疏了。

能人工制造“完全真空”嗎?

是否能人工制造一個(gè)分子也沒有的“完全真空”呢?遺憾的是，那是不可能的。因?yàn)榧词乖鯓映舴肿樱肿佑纸舆B不斷地“滲出”。

實(shí)際上在容器壁的表面吸附著各種分子或原子，甚至連容器壁里也可混進(jìn)各種原子。再者，從抽真空的泵的連接部分等進(jìn)入一點(diǎn)外面的空氣，無論采用任何措施，都不可能完全防止容器的泄漏。目前，人工的真空極限是1000兆分之一氣壓左右。

宇宙空間存在“完全真空”嗎?

人工能夠造出的真空是到1000兆分之一氣壓左右。這是1立方厘米的空間中存在1萬個(gè)左右分子的狀態(tài)。那么，在宇宙空間有分子或原子完全不存在的地方嗎?實(shí)際上宇宙空間盡管空氣非常稀疏，但是還有氣體或塵埃徘徊。星的誕生就是那些氣體通過自身的引力相互拉拽、壓縮的結(jié)果。

離太陽最近的恒星，是距離約4光年的半人馬座α星。考慮太陽與半人馬座α星之間的宇宙空間，每立方厘米存在1個(gè)原子(主要是氫原子)。

如果到銀河系外去又如何呢?例如從我們的銀河到仙女座的α星約有230萬光年的距離。即使那樣的空間，實(shí)際上每立方米也有1個(gè)原子存在。人工地制造一個(gè)分子或原子也沒有的“完全真空”不可能，并且在自然界多半好像也不存在“完全真空”。

假定同意星系之間每立方米有1個(gè)原子存在，其原子周圍的空間又如何呢?事實(shí)上，每立方米1個(gè)原子幾乎等于什么也沒有。在此提出這樣一個(gè)疑問，如果每立方米中有1個(gè)原子孤零零地存在，則那個(gè)原子周圍的空間當(dāng)然什么也不存在。那么，原子周圍的空間是“完全真空”嗎?

還有另一個(gè)不可思議的地方，那就是原子中的空間。原子由原子核與電子構(gòu)成，電子繞在原子核的周圍。除此以外，構(gòu)成原子的因素好像是沒有了。打個(gè)比喻，假定中心的原子核為半徑1米的球，則原子為半徑100米巨大的球，其中存在幾乎被視為沒有大小的電子。原子之中的空間不也是“完全真空”嗎?

的確，這些空間不存在分子或原子，似乎也可稱之為“完全真空”。但是，按現(xiàn)代物理學(xué)，在這些空間中充滿了“基本粒子”。如果從微小的基本粒子層面考慮，它應(yīng)是什么也沒有的原子周圍或原子之中突然飛出電子或光子等基本粒子的奇怪的空間。而且這種基本粒子反復(fù)地誕生，一瞬間又湮滅。

真空是沸騰不已的世界

我們將通過加速器的基本粒子實(shí)驗(yàn)加以證實(shí)。按“質(zhì)量與能量可以相互轉(zhuǎn)換”的事實(shí)，如果給予能量，則從真空成對地造出電子和正電子(也稱電子的反粒子)。首先，把加速的電子打入金屬團(tuán)塊。于是在金屬原子中的空間，電子釋放高能量的伽馬射線，從這個(gè)伽馬射線成對地誕生正電子和電子。這樣從真空“撿到”原來不存在的正電子和電子對。

但是允許這樣的存在僅僅是一瞬間，電子與正電子的情形是10的22次方分之一秒。由于這個(gè)基本粒子對存在時(shí)間太短，我們不能直接觀測到，為此稱之為“虛粒子”。物理學(xué)家把這樣真空的事實(shí)比喻為“沸騰的真空”。把從真空誕生并湮滅的基本粒子看做是沸騰開水中不斷冒起又瞬間消失的氣泡。經(jīng)過物理學(xué)家估算，在1毫升的真空里面，這些漲落不定的能量比整個(gè)宇宙中所有物質(zhì)所含的能量還要高。

這是現(xiàn)代基本粒子物理學(xué)中真空的景象。原子周圍和原子之中“空的”地方可以說是非常不平靜。即物質(zhì)的有與無，從我們的身體中到宇宙的一切空間好像是無數(shù)的虛粒子反復(fù)進(jìn)行成對生成和湮滅，由于能量與物質(zhì)極為快速地轉(zhuǎn)換，所以在宏觀上根本感覺不到它們的存在。

即使在溫度為絕對零度時(shí)，這些真空能量漲落也很活躍，真空也在向四面八方散發(fā)出能量，這與人們看到的表面現(xiàn)象不大一樣。這也是真空能量與其他能量不同的最大特點(diǎn)，因此，科學(xué)家們就將絕對零度時(shí)在真空中的物質(zhì)產(chǎn)生的能量叫做“零點(diǎn)能”。

第一個(gè)提出用實(shí)驗(yàn)檢測零點(diǎn)能的是荷蘭物理學(xué)家享德里克·卡西米爾，他于1948年提出，真空能量可以通過兩塊放置在真空中并且挨得很近的金屬薄板之間產(chǎn)生的微弱作用力表現(xiàn)出來。如果真空“沸騰”，在金屬薄板相隔的空間內(nèi)反復(fù)生成和湮滅電子和正電子的配對。這時(shí)金屬薄板內(nèi)部的電子受空間內(nèi)電荷的配置方向影響，結(jié)果是金屬薄板的一側(cè)帶正電，另一側(cè)帶負(fù)電，使兩枚金屬薄板因正負(fù)的電荷吸引。這個(gè)力隨兩枚金屬薄板越靠近越強(qiáng)。這就是卡西米爾效應(yīng)。

由于這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)必須有精密的測量技術(shù)，所以直到1996年物理學(xué)家才首次對這種“卡西米爾”效應(yīng)進(jìn)行了測定，驗(yàn)證了零點(diǎn)能的存在。

隨后，美國物理學(xué)家弗雷希曼和龐斯用鈀電極在常溫下電解重水時(shí)，觀察到了類似氫彈爆炸現(xiàn)象的“冷核聚變”。原來電解過程中，電極表面局部區(qū)域會(huì)產(chǎn)生氣泡和渦旋運(yùn)動(dòng)，并在渦旋中心通過“撓場”機(jī)制產(chǎn)生高能射線，這就是著名的渦旋動(dòng)力學(xué)與撓場機(jī)制提取零點(diǎn)能的方法。現(xiàn)在，科學(xué)家通過這一方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在一杯冷水中瞬間產(chǎn)生上百萬度的高溫。(文章代碼：0403)

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