第3章 真空真的是空的吗

1654年，科学家葛利克做过一个名垂科学史的实验。他用铜精制了两个大半球，并将它们对接密封起来，用他自己发明的抽气机将球内空气抽出，用16匹马背向对拉两半球，马最终竭尽全力才拉开。这表明我们周围并非什么都没有，而是充满空气，它对物体施加压力（球内空气密度因抽气远小地球外的，这导致球外压力远大于球内的）。球内经抽气后的空间叫做真空。

真空其实不空。直至今天，科学家都不能完全排除甚至某一小范围内的空气。电视机显像管需要高真空才能保证图像清晰，其内真空度达到几十亿分之一个大气压，即其内1立方厘米大小的空间有好几百亿个空气分子。在高能加速器上，为防止加速的基本粒子与管道中的空气分子碰撞而损失能量，需要管道保持几亿亿分之一个大气压的超高真空，即使在这样的空间，1立方厘米内还有近千个空气分子。太空实验室是高度真空的，每立方厘米的空间也有几个空气分子。

上述以抽出空气方式得到的真空叫做技术真空，它并不空。科学家称技术真空的极限，即完全没有任何实物粒子存在的真空，为“物理真空”。它非但不空，而且极为复杂。按照狄拉克的观点，它是一个填满了负能电子的海洋。20世纪20年代，英国物理学家狄拉克结合狭义相对论和量子力学，建立了一个描述电子运动的方程。它一方面十分正确地描述了电子运动，另一方面又预言了科学家当时尚未认识的负能量电子。自然界一切物体的能量总是正的。高山流水有（正）能量，能冲刷堤岸，推动机器。高速运动电子有（正）能量，能使电视荧光屏发光。电子具有负能量，就意味着加速它时，它反而减速；向左推它时，它向右运动。而且电子总处于放能过程中，如同高山流水总往低处流一样。电子的能量将越来越负，高山流水最终还只能流到大海，电子能量则将负至无穷。这意味着一切宏观的物体均将解体。这显然是荒谬绝伦的。按照量子力学，两个电子不能处在完全相同的状态上，就如一个座位通常只能坐一人不能坐二人一样。狄拉克认为，所有负能状态通常是“满员”的，被无穷多的负能电子占据。因此，正能电子其实是不能永无止境地发射能量的，其能量甚至不能降至零。这意味着，即使一个没有任何实物粒子的空间，也是一个充满无穷多个负能电子的大海。一个负能电子可通过吸收足够多的能量而转变为具有正能量的普通电子，尔后在负电子海洋中留下一个空穴，即少了一份负能量和一个负电子，这相当于给了海洋一个带正电荷和正能量的反电子（或正电子）。1932年，美国物理学家安德逊果然找到了它，狄拉克的理论也终为大家所接受。质子和中子也有负能反粒子，物理真空还可分别由它们（负能质子或负能中子）填充。在物理真空中，正、反粒子对可不断地产生、消失或消失后又产生，它们生存时间短，瞬息万变，迄今还未观测到，称为虚粒子。它们在一定条件下可产生一些物理效应。例如，一个重原子核周围的虚核子（反质子和反中子）在强电场作用下，会排列起来，出现正负极性，称为真空极化，这将影响核外电子的分布，导致原子核结构改变。

粒子（如电子）与反粒子（如电子）碰到一起，变成一束光，反之，一束强光也可从物理真空中打出粒子与反粒子。质子与中子等并非终极基本粒子，而是由更基本的“夸克”组成。夸克有六种“味”，即上夸克、下夸克、粲夸克、奇异夸克、顶夸克和底夸克。

它们不能脱离这些粒子而单独存在，它们似乎被一种强大的力囚禁了起来。按照“口袋模型”（1974），粒子就如物理真空中运动的口袋，口袋里装有夸克，夸克间存在很微弱的相互作用，由一种叫做胶子的粒子传递。粒子衰变或破碎为两种或两种以上的其它粒子时，可看作一个口袋变成两个或两个以上的口袋。同样，两个或两个以上的粒子聚合成一个大粒子，就相当于多个口袋合成一个大口袋。于是，在破碎和聚合过程中永远找不到单个夸克。口袋的分解或聚合就如液体（如肥皂水）中气泡的分解和合成。气泡内气体分子是自由运动的，大气泡可以分解成小气泡，小气泡也可合并成大气泡。若基本粒子如小气泡，则物理真空就如液体。这种液体性质独特，它只能一对对地产生气泡，或一对对地消失。按照口袋模型，口袋里面（或气泡里面）叫做简单真空，外面是物理真空，这形成真空的两种“相”。物理真空在一定条件下可变成简单真空，就如日常生活中三相间的转变一样。固体受热变液体，液体受热变气体，这些只需几百度或成千上万度就可发生。温度高达几十万、几百万或几千万度时，气体原子就要解体，变成叫做离子的带电粒子。同样，温度足够高时，口袋也将解体，质子、中子等基本粒子不再是基本的物质形式，它们将成一锅由夸克和胶子组成的高温粥，称为夸克—胶子等离子体，物理真空也就成了简单真空。

计算机模拟实验表明，物理真空熔化为简单真空需2万亿度以上的高温，这个熔化的物理真空也叫“熔融真空”。重原子核可以包含上百个质子和中子，其内空间正常状态下是个很好的物理真空。科学家希望通过碰撞来加热它，使其熔化，获得简单真空。目前在高能实验室中，质子和原子核间的碰撞能量已达几百兆电子伏特，这已相当于将原子核（局部）加热到了几万亿度，但由于质子（与原子核比较）太小，只将原子核穿了一个洞，并未将整个原子核熔化。科学家正在设法利用重原子核间的碰撞来实现熔融真空。熔融真空实验之所以重要，不仅在于它能直接检验关于基本粒子结构的一些理论假设，还在于其实验结果可能有助于科学家理解宇宙的早期演化。

按照大爆炸模型，我们的宇宙始于约200亿年前的一次巨大爆炸。爆炸发生的一瞬间，温度远远超过熔融真空所需温度，故早期的宇宙应是夸克—胶子等离子体。随着宇宙的膨胀，温度逐渐降低，简单真空转化过程中，应存在由50个或以上的夸克所组成的物质结构（通常的粒子只包含2个或3个夸克）。熔融真空实验是对这种早期宇宙演化的模拟，是一种理解宇宙演化的重要手段。为测量真空熔化时放出的大量粒子，需在非常小的锥体内同时测量上千个粒子。迄今还没有人能够在一次碰撞事例中测量上百个粒子。科学家即使使用他们最娴熟的乳胶探测器，尽管其分辨率很高，也无能为力，它也不适宜于探测高能加速实验中的夸克—胶子等离子体。这些困难经常困扰着科学家并激励他们去解决。

4℃时的水

在4℃时，水的密度为什么最大，这里介绍一种比较常见的解释。

我们知道水的密度比冰的密度大，这是因为液态的水在凝固成冰的时候，分子间的相互作用力使分子按一定的规则排列，每个分子都被四个分子所包围，形成一个结晶四面体。这种排列方式是比较松散的，使得冰晶体中的分子间的平均距离大于液态水中的分子间的平均距离。在液态水中，分子的排列比较混乱。分子在液态中的运动虽然比在冰中更自由，但分子与分子间的平均距离比在冰中更小，所以水的密度比冰的密度大。

用X射线研究液态水的结构时，发现液态水中在一定程度上还保留着非常微小的冰的晶体。根据推算，在接近0℃的水里，约包含着06%的这种微晶体。当温度逐渐升高时，这种微晶体逐渐地被破坏，由于这种微晶体有较小的密度，所以微晶体的被破坏就会引起密度的增加。因此，在水中有两种使密度改变的效应：使密度变小的效应。当温度升高的时候，水分子的热运动更剧烈了，分子间的距离变大了，因而引起密度的减小。使密度变大的效应。当温度升高时，水中的微晶体逐渐地被破坏，引起密度的增大。在4℃以上，水的温度升高时，第一种效应占优势，水的密度减小，体积增大。在4℃以下，水的温度升高时，第二种效应占优势，水的密度增大，体积减小。因此，水在4℃的时候，密度最大，这就是水的密度反常变化的原因。