吳再豐

絕大多數(shù)人認(rèn)為真空是空蕩蕩的、沒(méi)有空氣的空間。實(shí)際上，科學(xué)告訴我們，無(wú)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(lái)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(wàn)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(méi)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(wú)法被看到。真空具有能量，則是因?yàn)闀r(shí)間和能量的“測(cè)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(ài)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(duì)正反粒子可以從真空中“借來(lái)”能量而產(chǎn)生，然后又在極短的時(shí)間內(nèi)，通過(guò)相互湮滅的途徑把能量“還給”真空。難怪從宏觀上人類(lèi)感覺(jué)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(zhǎng)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(zhǎng)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(méi)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(wú)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(wàn)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(guò)自身的引力相互拉拽、壓縮的結(jié)果。

離太陽(yáng)最近的恒星，是距離約4光年的半人馬座α星?？紤]太陽(yáng)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(wàn)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(méi)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?chē)目臻g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(méi)有。在此提出這樣一個(gè)疑問(wèn)，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?chē)目臻g當(dāng)然什么也不存在。那么，原子周?chē)目臻g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?chē)?。除此以外，?gòu)成原子的因素好像是沒(méi)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(méi)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(chēng)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(méi)有的原子周?chē)蛟又型蝗伙w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(guò)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(duì)地造出電子和正電子(也稱(chēng)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(duì)地誕生正電子和電子。這樣從真空“撿到”原來(lái)不存在的正電子和電子對(duì)。

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(duì)存在時(shí)間太短，我們不能直接觀測(cè)到，為此稱(chēng)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(kāi)水中不斷冒起又瞬間消失的氣泡。經(jīng)過(guò)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?chē)驮又小翱盏摹钡胤娇梢哉f(shuō)是非常不平靜。即物質(zhì)的有與無(wú)，從我們的身體中到宇宙的一切空間好像是無(wú)數(shù)的虛粒子反復(fù)進(jìn)行成對(duì)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(jué)不到它們的存在。

即使在溫度為絕對(duì)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(duì)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(cè)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(guò)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(lái)。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(duì)。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(cè)量技術(shù)，所以直到1996年物理學(xué)家才首次對(duì)這種“卡西米爾”效應(yīng)進(jìn)行了測(cè)定，驗(yàn)證了零點(diǎn)能的存在。

隨后，美國(guó)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(lèi)似氫彈爆炸現(xiàn)象的“冷核聚變”。原來(lái)電解過(guò)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(guò)“撓場(chǎng)”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(chǎng)機(jī)制提取零點(diǎn)能的方法?，F(xiàn)在，科學(xué)家通過(guò)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(wàn)度的高溫。(文章代碼：0403)

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