真空真的就是空无一物？讲真，你约莫真的曲解它了！

前几天，有人问我这么一个成绩：“真空既然什么都没有，那应该是相对零度吧？光照真空会不会产生低温？”

在回复这个成绩之前，先得弄清晰什么是真空。

01

真空内里有妖怪？

真空原本的涵义是“没有物质的空间”。vacuum这个词来自拉丁语形貌词vacuus，看起来也蛮外貌：字母u像一个容器，接连两个u，重申空空如也。特地说一句，英语中含接连两个u的单词屈指可数，足见其特别。

古希腊的亚里斯多德曾提出，真空不成能存在。中世纪时，人们曾提出一种头脑实行：思索了当两个平板敏捷分散时，两个平板之间应该是真空——哪怕只是刹时。14世纪时，让·布里丹证实，当风箱的另一头被彻底封死时，十匹马一同协力都无法拉动风箱杆。

有哲学家提出，大天然十分厌恶真空，以是不让真空显现，即使在刹时产生，物质就会立刻去添补这些空间，这种看法称之为“可怕真空”。乃至有人提出，即使天主乐意，他都无法创造真空。

一品种似的头脑是，人们以为但凡空泛(void)，一定招致天主的对手——恶魔撒旦显如今内里，为了制止这种情况，万能的天主会立刻将空泛填满。以是空泛即使显现，也无法存在。

这但是是一种天下性的共鸣：真空是可怕的，以是应该尽力制止它，老天也在帮我们，以是真空寻常是短命的。比如，天下上不管哪个民族的人，都恐惧空屋子，由于屋子长时没人住，鬼就会来安家，以是叫做鬼屋（Haunted house）。我们常常说“权利的真空”，就是指某个场合缺乏办理，好坏常伤害的。

特地说一句，我信封建不怕鬼，以是有好的鬼屋，不要可以送我，像底下如此的我是相对可以笑纳的。

实践上，这个说法还表明了另一个物理成绩：为什么用吸管可以喝水？今天我们都晓得，这是由于大气压将水压到我们嘴里了的缘故（可别报告我你有吸力哦！）。但当时分，人们并不晓得大气压，以为是天主厌恶真空，以是他立刻派水来吞没被吸走氛围的管子，因此就把水特地送到我们嘴里来了。

固然外表这个想法看起来很荒唐，但在相当长的时间内，它的确比力好的表明了与抽水干系的很多成绩。以是，我们应以汗青的目光来对待那些以前过时的实际。

但是物理学中的那些假定也都是云云，你基本不晓得它们为什么建立，但只需你先承受它们，你就具有了形貌和猜测物理征象的实际，不然你将步履维艰，除非你有才能创造另一套新的实际。即使将来某个假定真被推翻了，那也是很正常的事，由于物理只听从于实行。

02

真空的研讨和使用

1654年，德国马德堡市的市长奥托·冯·盖里克创造了第一台真空泵，并举行了他出名的马格德堡半球实行。后果标明，由于半球外的大气压力，马队无法将两个局部排空氛围的半球分开。

随后，Robert Boyle改良了盖里克的计划，并在胡克的协助下进一步开发了真空泵武艺。今后，对局部真空的研讨不休持续到1850年，事先奥古斯特·托普勒创造了托普勒泵，1855年海因里希·盖斯勒创造了水银置换泵，完成了气压约为10Pa的真空。

正是在这种真空水平下，很多电学实质变得可以察看到，这重新惹起了人们对进一步研讨的兴致，以是真空的研讨对电磁学的提高起了很大的推选措用。随后，人们发觉，种种研讨和使用越来越离不开真空，真空研讨越来越惹起人们的兴致。

真空初次广泛使用是在白炽灯胆中，以保护灯丝免受化学降解。真空产生的化学惰性也实用于电子束焊接、冷焊、真空包装和真空油炸。

古代超高真空武艺广泛被用于原子级干净基板的研讨，由于仅有十分好的真空才干将原子级干净外表坚持相当长的时间（约莫几分钟到几天）。而超高真空能彻底消弭氛围停滞，允许粒子束堆积或移除质料而不受沾染，这是化学气相堆积、物理气相堆积和干法蚀刻眼前的原理，它们对半导体和光学涂层的制造以及外表封建至关紧张。

由于真空中对流大幅低落，这为保温瓶提供了隔热后果。真空能好效低落液体的沸点，促进温度低放气，用于冷冻干枯、粘合剂制备、蒸馏、冶金和工艺吹扫。

真空的电学特性使电子显微镜和真空管成为约莫，包含阴极射线管。真空灭弧室常用于电气开关装备，而真空电弧工艺关于消费某些品级的钢或高纯度质料具有紧张的产业意义。经过真空消弭氛围摩擦，有助于变小飞轮储能和超速离心机运转时的斲丧。

03

局部真空与完善真空

如今，绝大大多情况下，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，只需空间仅含有极为稀薄的气体，我们就可称之为真空。固然，假如你是一个十分严谨的人，你可以称之为“局部真空”。但恐怕他人以为这是多此一举。

而你心目中的那种“彻底的空无一物”的真空被称作“完善真空（perfect vacuum）”或叫“自在空间（free space）”，它是指：

空间中不存在任何具有能量和动量的粒子，即扫撤除任何物质粒子（比如原子、电子等）和场粒子（比如光子）的空间，并且，广义相对论下的爱因斯坦张量的一切分量都为零。

很显然，这种完全没有粒子的抱负形态，不成能在实行室中完成，只管在一个极小体积内，约莫可巧在某个很短的时间内没有物质粒子。即使你移除了一切的物质粒子，仍旧会有多数个光子和中微子，以及暗能量、假造粒子和真空涨落等其他方面的影响。

以是你应该明白，为什么我们对真空的要求大大缩水了吧！

实践标明，真正空无一物的空间现在无法取得，实践中也不存在。但“真空”二字以前被广泛使用，假如真打假的话，扳连面太广了。以是就如此不休用到如今。

换句话说，所谓“真空”，但是都是妥妥的赝品！但人们仍旧存心把它说成“真空”，不关封建的严谨性，地道是由于汗青缘故，更不是“欲盖弥彰”式的大话。

实际中的真空，都或多或少的含有气体分子，只是相对大气来说，真空中单位体积内所包含的气体分子数要小很多很多，乃至完全可以被忽略。从这个意义上说，真空并不是一种确定的形态，而是指一种相对的涵义。

04

真空主要靠抽

你约莫不太了解，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便。你想想，有什么办法能好效的赶走那些氛围分子呢？

千百年来，人们想过很多办法，比如，将一个密闭的空间拉大；再就是，让某种气体充溢一个密闭空腔然后经过化学反响将其斲丧变为固体等。

但真正行之好效的办法照旧看起来更简便粗暴的抽气——固然是借助种种高精尖的真空泵的组合使用来完成。之以是说“看起来更简便”，是由于这种办法固然最容易想到，貌似简便，但是一点也不简便。

为了取得超高真空，除了所接纳的真空泵的武艺目标外，关于密封件的选择、腔室几多外形、质料和真空泵的组合和事情的步骤等都有严厉的要求，干系的武艺统称为真空武艺。

实践标明，无论你接纳的真空武艺何等拙劣，总有一些微量的气体或其他物质分子还残留在容器中。这固然有种种缘故，除了漏气之外，比如另有由于容器内壁的放气（Outgassing）的成绩，由于任何物质（乃至金属也好）在它所处的空间的气压低到一定水平时，都市放出气体，寻常就是该物质的分子。

这一点，古希腊的哲学家亚里斯多德有先见之明。他曾说，空间中不会显现空泛，由于即使显现，也一定会被周围到度更大的物质主动补偿。但是，这就是物理中的“分散”征象——只需空间中的粒子密度不匀称，热活动就会招致物质从密度高的场合转移到密度低的场合。

你想啊，用来装真空的容器本身也是由微粒构成，那这些微粒天然无法制止分散的成绩吧。以是，即使空间中真的显现一个没有物质的地区，那包抄它的那些物质时候都在单薄的放气——分散物质到这空间中来，以是真空的保存相反是很困难的。

以是，无论你费多大力气把一个密闭空间抽成真空，它的内里都不成制止的会徐徐显现越来越多的物质粒子，由于它本身就被物质包裹着。

05

真空度与真空级别

真空的水平，叫做真空度。寻常情况下，真空度主要由压强来表征。真空度从低到高，分为5个级别，依次分散是：

低真空，压强在100Pa以上，可借助平凡钢和真空泵取得；

中真空，压强在100到0.1Pa之间，寻常借助不锈钢和真空泵取得；

高真空，压强在0.1到 Pa之间，可经过不锈钢、弹性体密封件和高真空泵完成；

超高真空，压强在到 Pa之间，可经过低碳不锈钢、金属密封件、特别外表处理和干净、烘烤和高真空泵完成；

极高真空，压强低于 Pa，可经过真空烧结低碳不锈钢、金属密封件、特别外表处理和干净、烘烤和分外的吸气剂泵来完成。

完备的真空表征，必要更多的参数，如温度和化学因素等。此中一个最紧张的参数是剩余气体的均匀自在程（MFP），它指示了分子在一连两次碰撞之间挪动的均匀距离。氛围在大气压下的MFP很短，为70nm。随着气体密度低落，MFP增长，在100mPa室温氛围的MFP约为100毫米。

当MFP的值比腔室、泵、航天器或其他容器的尺寸更大时，意味着气体分子在容器中活动时，几乎只与容器壁碰撞，分子互相之间的作用完全可以忽略，流精力学的一连性假定不实用。这种真空形态就是高真空，研讨这种形态下的流体活动被称为粒子气体动力学。

天然界中真空度最高的真空并不是从实行室中取得的，而是来自广袤的太空中。比如月球外表的大气压约为 Pa，以是月球外表就是极高真空。但即使真空度云云高，每立方厘米的空间中却仍然含有高达几十万个气体分子，不外其MFP高达上万公里！

而关于那种阔别种种天体的星际空间，均匀每立方厘米只拥有十多个乃至更少的分子，基本无法产生压强，常规的真空度以前没效了。就现在所知，阔别任何星系的空间中，每立方厘米含有的分子均匀仅有个，那边的光子的均匀自在程更是高达100亿光年！太不成想象了！这约莫是现在天然界中最接近完善真空的真空。

在星际空间中，由于阔别统统物质（不思索中微子、光子和暗物质），几乎没有任何力的作用，因此任何处在这里的物体（假如有的话）几乎是相对自在的，以是叫“自在空间”也是很切合的，基于这种空间中活动的物体所创建的参考系可以被看作是抱负的惯性系。

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高真空使用的一个例子

常用来丈量电磁辐射通量的克鲁克斯辐射计就是事情在高真清闲区的，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。叶片暴露在光源下时，叶片四周的气体分子吸取光后碰撞叶片产生压力，由于叶片两侧对光吸取率不同，所招致的压力差使叶片产生旋转，旋转速率越快，光源就越强，从而提供了电磁辐射强度的定量丈量。

这里的一个成绩是，为什么辐射计内里要抽成高真空？由于较高的气压会招致较大的氛围阻力，仅有当氛围极度稀薄时，叶片两侧温差所产生的压力差才干凌驾氛围阻力而使叶片转动起来。

另一个成绩是，是不是玻璃泡的真空度越高越好？非也！假如玻璃泡中的氛围过于稀薄，分子碰撞叶片产生的压强太小，叶片也无法转动，因此氛围的密度必需处在一个比力切合的范围，也就是高真空这个地区。

07

完善真空的实质

以上就是传统真空的那些事。但真空的内在远不止这些。

底下这局部讲的约莫你不太懂，没干系，不懂才是正常的。

从上世纪30年代以来，随着量子实际的提高，人们熟悉到即使是完善真空，实践上也不是不休都是空的。

这此中最紧张的实际是1930年狄拉克提出的“狄拉克海”的真空模子。他以为完善真空实践上是由无穷多个具有负能的电子添补而成的。假如让高能伽马射线射入真空中，有约莫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，公然，两年后安德森就发觉了正电子。

第二个是所谓真空涨落实际，它是随着兰姆位移和特别磁矩的发觉而被确认的。依据量子电动力学，电子之间的碰撞，可用互换虚光子来完成，而虚光子可以产生正负电子对。因此真空可以看作是充溢虚光子和电子对的大海。依据海森堡的不确定原理，真空内里并不屈静，而是在短时间内可涌现宏大的能量。因此，真空可以在极短的时间内衍生出多量的粒子，然后刹时散失。

别的，标准场实际下的真空的对称性盲目破缺，赋予希格斯粒子质量，为质量的劈头这个物理学的基本成绩提供了一种处理方案。而量子色动力学中的夸克禁闭实际指出，真空是夸克物质的凝结相。

再厥后，人们还从量子信息视角发觉了真空更丰厚的内在，这触及量子比特、量子胶葛等成绩，这里就不再扯了吧。

以是，完善真空也并非空无一物。假如说空屋子里没有鬼，那么真空中除了没有鬼，其他什么都有！