小科普:什么是真空

摘要

真空,顾名思义,就是“真的空的”。然而什么才算是“真的空的”,则与人们对事物的认知有关。一个盒子,倒光里面的东西,盒子就是“空的”。但我们知道,盒子其实并不空,里面还有空气。把空气抽掉,盒子里就真正空无一物了,于是我们说,盒子中的是“真空”。然而事情并没那么简单。首先,从技术上讲,空气不可能抽干净。不过纸上谈兵自有纸上谈兵的好处,我们不妨假设空气都被抽干净了。真正的麻烦在于我们对事物的认知在不断发展,除了空气分子,盒子中还可能存在各种各样的粒子,这些粒子逐一为我们所认识。

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真空,顾名思义,就是“真的空的”。然而什么才算是“真的空的”,则与人们对事物的认知有关。一个盒子,倒光里面的东西,盒子就是“空的”。但我们知道,盒子其实并不空,里面还有空气。把空气抽掉,盒子里就真正空无一物了,于是我们说,盒子中的是“真空”。然而事情并没那么简单。首先,从技术上讲,空气不可能抽干净。不过纸上谈兵自有纸上谈兵的好处,我们不妨假设空气都被抽干净了。真正的麻烦在于我们对事物的认知在不断发展,除了空气分子,盒子中还可能存在各种各样的粒子,这些粒子逐一为我们所认识。比如说,我们后来知道,光也是由粒子组成的。盒子中必然会充满光子,即使我们把盒子做成完全不透光,盒子中照样会有黑体辐射产生的光子。又比如说,我们再后来知道,宇宙中充满了中微子,中微子穿透力极强,我们无法阻止它进入盒子。

 

总之,对“空”的定义依赖于对“有”的认知,“真空”是一个一直发展的概念,因而在不同语境下可以有不同的具体含义。平时我们说:“热水瓶内胆抽成真空”,“外太空是真空”,在相应的语境下这些说法都并不算错,尽管这些情况实际上并不是“真的空的”。而要制造出一个完全没有粒子的“真正的”真空,则是不可能做到的。

 

让我们再次发挥纸上谈兵的好处,假设一个盒子中,包括光子、中微子之内的什么粒子统统都没有,这样是不是就能得到一个理论上的“真的空的”盒子呢?

 

遗憾的是,根据现代物理学对粒子的认识,这种理论上的真空也是不可能的。“真空不空”的话可能很多人都听到过。为了说清楚其中的道理,请允许我做一个比喻,边比喻边解说。

 

设想一个海面,有时候清风徐来,波澜不兴,在远处的人们只看到一个平静的海面,海面上空无一物。有时候则波涛起伏,远处的人们看到原本平静的海面上有高出来的东西在运动着。

 

于是人们把高出来的东西叫做“粒子”,把平静的海面(没有粒子)叫做真空。

 

后来,人们逐渐走近海面,发现原来即使是称作“真空”的海面也不是平静的——事实上,不可能完全地、真正地平静。所以,对真空的定义必须改改了。人们把海面“最平静”的状态定义为真空。现在的真空不再是一平如镜,而是会有水面的起起伏伏,甚至偶尔会激起一些浪花,浪花拍击之后迅速消于无形。这已经是海面能够达到的最平静的状态了。(现代物理学把真空定义为场的基态,基态下尽管没有粒子长期生存,但是会有真空涨落,即会出现粒子和反粒子对,并在短时间内湮灭。)

 

更进一步地,走近海面之后,人们认识到了大海的存在,这才真正认清了真空与粒子的关系。原本人们把平静的海面视作为真空,是“没有”;波涛视作为粒子,是“多出来的东西”。走近海面才发现,原来真空也好,粒子也好,大海是同一片大海。平静时是真空,起波浪时有粒子,这无非是大海的两种状态而已。把真空当作“没有”并不是正确的观点。(粒子和真空是场的不同状态,而不是“有”和“没有”的关系。场在基态时,观测到的平均粒子数为零,在激发态时,观测到不为零的粒子数。顺便说一下,我这里用到了“观测”这个词,因为粒子数是否为零是和观测有关的。比如说,一个做惯性运动的人测量到自己周围的空间是真空,那么,在他身边,一个做加速运动的人对同一片空间做测量,将会发现这个空间并非真空,而是充满了粒子。这一效应尽管听起来奇怪,但只要把“真空”和“有粒子”看作是场的不同状态,那也就不难理解——观测到的状态会和观测者有关,正如同一个物体的运动在不同人看来会有不同的速度一个道理。)

 

可能有人要问了:你说了那么多,那真空到底是不是物质呢?

 

对于这个问题,我首先要说,“物质”并不是物理学中一个明确定义的概念,而且“物质”的涵义也是一直在发展的,和人们对这个世界的认识有关。这词在平时讲话中会经常出现,说话写文章用到这个词并不成问题,但太过钻牛角尖一定要问“xx是不是物质”意思就不大了。与其说我们按照物质的定义,给各种对象做“是不是物质”的分类,倒不如说是随着我们对各种对象认识的深入,在不断修改物质的定义。

 

可能有人会坚持问:你这样答非所问,完全是在绕圈子。为什么就不能正面地、明确地回答一下真空到底是不是物质呢?

 

要正面回答也行。还是回到刚才的比喻。人们一开始只看到波浪,并没有了解到大海本身。人们视波浪为物质。后来人们走进一看,发现原来波浪其实是波涛汹涌的大海。那波涛汹涌大海算不算物质呢?那平静的大海算不算物质呢?

 

既然我们已经把波浪定义成了物质的一种,大海当然也是物质了,无论平静与否。

 

所以,从现代物理学的观点看,真空也可视为物质。

(文/dy1983,原文链接:

http://weibo.com/p/1001603946808832354352?from=page_100505_profile&wvr=6&mod=wenzhangmod

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目前评论:1   其中:访客  1   博主  0

  1. avatar hankou001 0

    外太空不是真空很好理解,不然恒星的光波光子如何到达地球的?真空是一种特殊形式的物质!

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