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真空是沒有空氣的意思嗎
真空是沒有空氣的意思嗎
更新时间:2025-04-02 08:33:30
真空概念的由來

按人們常規思維,“空”就是一無所有,所以,古代人們把除了陸地、海洋以外的藍天叫做“天空”。佛門講的是玄學,相信虛無缥缈的東西,所以對“空”很感興趣,就連唐僧給他的千年猢狲弟子也起名為“悟空”。

真空是沒有空氣的意思嗎(什麼是真空)1

後來,人們覺得奇怪:為什麼天空會出現刮風、打雷、下雨?于是逐漸明白天空并不是空的。它充滿着一種摸不着的氣體,所以有了“空氣”之稱。

随着科學的發展,人們進一步知道空氣的組成,并且還可以采用一定的方法把各種組分分餾出來。于是原來所說的“天空”實際上是一種“假空”,必然還有一種“真空”存在。

“真空”的含義也就是在這種前提下應運而生了。那就是把低于大氣壓的氣體狀态稱之為真空。

1654年,德國馬德堡的市長曾用直徑為30厘米的兩個空心半球緊貼在一起,把球的中間抽成真空,結果用16匹馬分成兩隊對拉,竟然不能把半球拉開。

真空是沒有空氣的意思嗎(什麼是真空)2

這是最早的真空試驗。1878年,英國物理化學家斯旺發明了白幟燈泡,這又在工業上最早運用了電真空器件。從燈泡到電子管,其真空度的要求在不斷提高,燈泡大約是10^-2帕~10^-3帕,而電子管要求是10^-4帕。

既然真空就是氣體稀薄氣壓降低,那麼氣體的壓力是怎麼産生的呢?

由分子運動的規律知道:氣體分子是雜亂無章運動的,分子越多,碰撞的機會越多,分子的自由度越小,分子撞擊容器壁部的次數越多,産生的壓力也就越大。所以要達到較好的真空,就應減小氣體分子的密度。這種抽氣的辦法很多,如旋片式真空抽氣機、油擴散泵、渦輪分子泵,它們可以使真空度達到10^-5帕。

真空度的提高

但是真空度再要提高就比較困難了。一方面,任何容器都有連接部分,不可能做到絕對密封,非常細微的漏孔都會使外界空氣滲入,最後抽速和漏率達到動态平衡,真空度就再也不能提高了。另一方面,容器壁面會釋放出氫氣分子,這些輕的氣體無法采用上述手段抽走,于是容器中的氫的分量逐漸增多,真空無法提高。

于是,對于真空的機理有了新的突破,在低真空的要求下,可以把氣體分子驅趕出去;在高真空的要求下,有些分子分子死活驅趕不走,就需要采用捆住它的辦法,不準亂動亂撞。工業上就是采用内部通液氦的冷闆,由于液氦的溫度可達4k,任何氣體(包括氫氣)在這種溫度下凝固,所以這樣的低溫冷闆可以捕獲容器中殘餘的氣體分子,隻要分子撞到冷闆上,它就可以粘亡了。正如我們在冬天用手去摸一塊冰會被粘住一樣。這種辦法可以使真空度達到10^-7帕。那麼存不存在真空度0帕的真空呢?

純粹的空間,即絕對真空是不存在的

真空是沒有空氣的意思嗎(什麼是真空)3

十七世紀的笛卡爾認為“一無所有的空間是不存在的”,他是這樣論證的:空間和廣延性是同一的,而廣延性是與物體相聯系的,因此沒有物體的空間是不存在的。這個結論最終在愛因斯坦的廣義相對論中得到了證實。

真空是沒有空氣的意思嗎(什麼是真空)4

在愛因斯坦看來,被稱為“世界”的闵可夫斯基四維時空是個被抽走了物質和場的純粹的空間,這樣的空間是根本不存在的。空間和時間一起隻能作為場的結構性質而存在。沒有任何物質粒子就沒有空間,即絕對的真空是不存在的。關于真空不空的思想後來被狄拉克的真空新概念進一步體現出來,也被現代觀測所證實。

1928年,英國的狄拉克從量子力學的觀點出發,賦予“真空”以全新的概念。

真空是沒有空氣的意思嗎(什麼是真空)5

他通過計算發現:真空中除了具有正能量的電子以外,還存在具有負能量的電子。正常電子如果跌入這種負能量的區域,電子将放出能量并自行消失。因此狄拉克認為,所謂“真空”就是充滿具有負能量的電子的狀态。

真空是沒有空氣的意思嗎(什麼是真空)6

按照這種觀點,“真空”又不“空”了,因為那裡充滿着電子,隻不過這些電子具有負的能量。因為電子畢竟比原子小四個數量級,比分子小五個數量級,因此無需考慮它們碰撞的問題。

建立起狄拉克新的真空觀念以後,基本粒子物理的一些現象就可以解釋了。比如,為什麼在“一無所有”的真空中,可以反複進行着粒子與反粒子的産生和湮滅。這就是因為真空并不是“一無所有”。又如,是否有“正電子”存在,狄拉克認為:當給真空大的能量時,那裡處于負能量的電子就獲取能量躍至正能量狀态,從而在原負能量狀态留下一個空位。由于周圍全是負能量,所以這個空位可以看作具有正能量。周圍全是帶負電荷的電子,空穴也就可以看作具有正電荷,于是狄拉克預言了“正電子”的存在。果然,1932年安德森根據這種預言發現并證實正電子的存在。

真空是沒有空氣的意思嗎(什麼是真空)7

由此,真空的概念正經曆一個新的階段,但人們處于一種朦胧的理解。随着量子力學與基本粒子物理的發展,相信這種理解還會更加深入,也會促進真空獲得、真空應用的進一步發展。

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