理应“没有任何物质”的真空中却活跃着基本粒子!
什么是真空?是虚无,是宇宙……?在许多人的心目中,真空就是没有空气的空间.环顾四周,我们可以看到真空包装袋、暖水瓶的瓶胆、电灯泡等等,它们都是利用了真空的产品.
其实,真空中隐藏着巨大的奥秘.在小到不能再小的微观世界,竟然可以从什么也没有的真空飞出许多基本粒子来.这样的基本粒子不计其数,而且它们急匆匆地一会儿生成,一会儿消失.真空,绝非我们想象中“静止”的,什么也没有的空间.相反地,真空是一种正在发生着激烈活动的场所,是不可思议的奇异环境.
要搞清楚真空是什么,就不得不涉及“物质的本质”和“宇宙如何演化”这两个难题.探索真空的本质属于现代科学的尖端课题.现在,就让我们踏上探索真空神秘本质的科学之旅吧!
真空真的是“什么都没有”吗?
到真空环境中实地检测一下……,从“低压”真空到产生基本粒子的真空
通常,我们说宇宙空间是没有空气的真空.真空一词,字面意思就是“完全空”,“空无一物”,什么都没有.但是,实地检测一下航天飞机轨道附近的空间,却发现那里仍然存在着稀薄的空气.即使是真空包装袋和暖水瓶瓶胆夹层里面,也不是什么都没有.我们无论采用什么办法,都无法使我们所说的真空真的是“没有一点空气”.我们所说的真空,不过是“空气极其稀薄的空间”罢了.
于是,我们就要懂得“空气稀薄”是什么意思.我们知道,空气主要由氧分子和氮分子组成,而且这些分子总是在不停地飞来飞去.譬如说,通常处在一个标准大气压下的空气,其中每立方厘米包含有1019个分子.也就是说,在一粒骰子大小的空间中就有1万亿的1000万倍那样多数不清的分子在其中飞来飞去.空气中分子的数量如此巨大,如果用所包含的分子数来表示空气是浓密还是稀薄,显然很不方便.通常,我们就用气压来表示空气的稀密程度.
下面,我们来看什么是一个密闭容器里的气压.容器里飞来飞去的气体分子一直在频繁地撞击容器壁,其趋势是向外推挤容器壁.单个分子碰在器壁上产生的力自然是微不足道的,然而同时碰在器壁上的分子数目非常巨大,合起来就是很大的力,这种推力就是气压.气压的性质是,当温度和体积不变时,容器中的空气越稀薄,也就是说容器中气体分子的数越少,气压越低.在自然环境中,海拔越高的地方,气压越低.也就是说,越往高空去,便越接近“完全空”的真空.
这样就产生一个问题：气压要下降到什么程度,我们才可以说那就是真空?按照工业标准的规定,真空绝不是“完全空”,而是一种“低于一个标准大气压的气体充满空间的状态”.由此可知,工业领域所说的真空,与我们平时想象中的“完全空”的真空相差十万八千里.
不仅如此,还存在着意义不同的另一种“真空”,那就是非常非常小的基本粒子世界的真空.基本粒子世界的真空,简直超出了我们的想象.对此,我们将留待本文后半部分再作详细介绍.这里,我们先回顾一下人类探索真空的历史.