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最后更新:2025年8月29日

绝对真空是乌托邦吗?

真空与超高真空:从马格德堡到大型强子对撞机
马德堡半球是奥托·冯·格里克于1654年设计的一种实验装置,用于证明真空的存在和大气压的概念。马匹拉动两个带有抽气阀的密封半球。图片来源:德意志图片档案馆

虚无 vs. 真空:截然不同的概念

不要将真空与虚无混为一谈。

在日常用语中,一个“空”的容器(如玻璃杯、瓶子)实际上充满了空气。在大气压下,一立方毫米的空气含有约2 × 10¹⁹个分子,即二十京(2×10¹⁹)。这一密度揭示了“空”这一术语的模糊性:如果真空从未达到绝对虚无,它是否名副其实?

物理学中的真空:一个实验极限

物理学家将真空定义为:根据当前技术极限,从给定体积中移除所有可探测物质后所达到的状态。因此,这是一种相对真空,而非绝对真空。


如何制造部分真空?

真空泵用于从密封空间中抽取分子。真空质量通过残余压力来衡量,其单位表示为:

在地球上,最佳超高真空可达10⁻¹⁰至10⁻¹²帕(例如大型强子对撞机等粒子加速器)。即便在此条件下,仍存在分子,真空仍是相对的。

压力以帕斯卡(Pa)为单位: 1 Pa 相当于1牛顿(N)的力均匀施加在1平方米的面积上。 牛顿(N)的定义: 力的国际单位制(SI)单位。1 N 是能使1千克质量产生1米/秒²加速度的力。 示例:1米/秒²的加速度意味着物体速度每秒增加3.6公里/小时(1米/秒 = 3.6公里/小时)。

真空与电磁场:无形的能量

与普遍认知相反,真空并非“空无”能量:

因此,完全真空意味着既无物质也无辐射/能量。这种状态在可观测宇宙(其中宇宙背景辐射以2.7K的温度充满空间)和实验室中均不存在。

爱因斯坦与相对论:绝对真空的终结?

在《相对论:狭义与广义理论》(1916年)中,阿尔伯特·爱因斯坦(1879-1955)专门用附录探讨了空间与真空问题。他引用了勒内·笛卡尔(1596-1650)和伊曼努尔·康德(1724-1804),并否定了"无场空间"的概念:"物理对象并非存在于空间之中,而是这些对象具有空间延展性。因此,真空空间的概念便失去了意义。"——阿尔伯特·爱因斯坦,1952年第9版序言。对爱因斯坦而言,时空是由物质与能量(方程E = mc²)塑造的动态实体。"真空"由此成为势场,即便物质缺失,仍会留下几何特性(时空曲率)。

马德堡半球:真空的历史演示

1654年,奥托·冯·居里克(马格德堡市长兼科学家)进行了一项具有里程碑意义的实验,用以证明大气压力的作用。

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