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“真空”，按照字面意思理解就是“真的空”，即完全空無一物的空間。既然如此，我們?yōu)槭裁磿?huì)提出“真空里有什么”這樣自相矛盾的問題？

這是因?yàn)樵谶^去，人類認(rèn)為只要剔除掉空氣中的雜質(zhì)，真空便形成了。但隨著我們對(duì)物質(zhì)認(rèn)知的提升，之前那些被認(rèn)為是“真空”的空間就像是魔術(shù)師的帽子一樣，總能蹦出幾只“兔子”來。

真空魔術(shù)師

（圖片來源：作者自制）

科幻電影里有一種“真空顯微鏡”，它可以聚焦到各種物質(zhì)微粒之間的空隙——也就是“真空”上。今天，就讓我們拿起“真空顯微鏡”，一起回顧人類對(duì)物質(zhì)的研究過程，并來試著回答“真空里有什么”這個(gè)問題吧。

第一階段：元素論與原子論的紛爭

古時(shí)的很多哲學(xué)家都提出過“基本元素”的概念，亞里士多德的老師柏拉圖將其總結(jié)為四種：火、地、風(fēng)、水，也就是說世間萬物都是由這四種元素構(gòu)成。這便是“元素說”，有點(diǎn)類似于我國古代的“五行學(xué)說”。

五行

（圖片來源：維基百科）

亞里士多德在老師柏拉圖的基礎(chǔ)上又添了一種元素——以太，以太意為精質(zhì)和永恒，其作用就是填補(bǔ)大自然的空虛。亞里士多德曾說“大自然厭惡真空”，我們就可以將以太理解為填縫劑，所有元素之間的空隙都被以太填滿了。

以太的思想影響了西方世界很長一段時(shí)間，它確實(shí)也能方便解釋很多現(xiàn)象，比如光傳遞的介質(zhì)等等?？墒?，那這不就表示真空不存在了嗎？

到20世紀(jì)，邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)通過光的干涉證實(shí)了以太不存在，不然我們的尋找真空之旅就要畫上句號(hào)了。

在當(dāng)時(shí)，古希臘還有一種當(dāng)時(shí)很不起眼的理論——原子論，誰也想不到它日后能成為指導(dǎo)人類物質(zhì)研究的主流。1803年，道爾頓在英國皇家協(xié)會(huì)上做了一場(chǎng)原子論的報(bào)告，他的主要觀點(diǎn)在現(xiàn)在看來很簡單：元素可以有很多種，那對(duì)應(yīng)的原子也有很多種不就行了，每一種原子的性質(zhì)決定了對(duì)應(yīng)元素的性質(zhì)。

這場(chǎng)報(bào)告標(biāo)志著現(xiàn)代原子論的誕生。原子論認(rèn)為不管什么元素，都是由一種小到不能再小的東西構(gòu)成的，也就是說這種東西是不能再分割的，它被稱為原子（Atom，希臘語意為不可分割）。

這種尋找“最小組成單位”的思想，深深地影響了現(xiàn)代粒子物理的研究。之后又經(jīng)過漫長的論戰(zhàn)和實(shí)驗(yàn)，人們慢慢接受了“原子是物質(zhì)最基礎(chǔ)的單位”這一觀點(diǎn)。

當(dāng)時(shí)要是有人問什么是真空？那答案就是——沒有原子的地方就是真空。這種情況持續(xù)到了1897年，那年，人類發(fā)現(xiàn)了比原子更小的東西。

第二階段：打破原子，看看里面還有什么

1897年，在劍橋大學(xué)卡文迪西實(shí)驗(yàn)室，剛上任的實(shí)驗(yàn)室主任JJ.湯普森將目光放到了當(dāng)時(shí)物理學(xué)界最熱門的儀器上——陰極射線管。

陰極射線管

（圖片來源：維基百科）

陰極射線管就是一個(gè)沒有氣體的管子——在當(dāng)時(shí)人們的眼里這就算是“真空”了。在這個(gè)管子兩端接上高壓電，就會(huì)發(fā)現(xiàn)有一束射線從陰極射向陽極，并在陽極發(fā)光。這束射線到底是什么？

英國人認(rèn)為這是一束帶電粒子，加上當(dāng)時(shí)人們認(rèn)識(shí)到的最小粒子就是原子，并根據(jù)射線在磁場(chǎng)下偏轉(zhuǎn)的方向判斷，應(yīng)該是帶負(fù)電的原子束；德國人認(rèn)為這是一種電磁波，理由廊坊真空爐體加熱就是陰極射線在磁場(chǎng)下偏轉(zhuǎn)，但在電場(chǎng)下不偏轉(zhuǎn)，如果是帶電原子，它也應(yīng)該在電場(chǎng)下偏轉(zhuǎn)才對(duì)。況且陰極射線能輕松穿過鋁箔，如果是原子肯定會(huì)被擋住的。

就在兩幫人爭論不休之時(shí)，湯普森首先解釋了陰極射線在電場(chǎng)下不偏轉(zhuǎn)的問題，這是由于真空管里面的空氣沒抽干凈，里面的稀薄氣體發(fā)生導(dǎo)電現(xiàn)象影響了陰極射線。接下來湯普森又投身工程問題，花了大量的時(shí)間改良真空泵，終于在1897年讓人們看見了陰極射線在電場(chǎng)下也能發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

支持粒子論的人剛要沾沾自喜，接下來的測(cè)算結(jié)果就讓他們大跌眼鏡：這種粒子的質(zhì)量是已知最小原子——?dú)湓拥膬汕Х种?。這也解釋了陰極射線能穿過鋁箔的原因，因?yàn)樗×恕Ｓ纱?，湯普森提出了一個(gè)大膽的假設(shè)：原子可能并不是構(gòu)成物質(zhì)的最小粒子。

后來人們把這種陰極射線中的粒子叫作電子，這是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)基本粒子，湯普森也因此獲得了1906年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。至此，人類對(duì)物質(zhì)世界最小單位的認(rèn)知發(fā)生了翻天覆地的變化。

再后來，湯普森的學(xué)生，新西蘭物理學(xué)家盧瑟福通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原子中除了電子之外還有一個(gè)堅(jiān)硬的核。他將其稱為“原子核”，并在1911年發(fā)布了原子的行星模型，認(rèn)為電子像行星一樣圍繞著原子核旋轉(zhuǎn)。

1920年，盧瑟福又發(fā)現(xiàn)原子核當(dāng)中能被撞擊出一種帶正電的粒子，將它稱為質(zhì)子。同時(shí)他預(yù)言原子核中應(yīng)該還有一種中性粒子。12年之后，盧瑟福的學(xué)生查德威克成為了第一個(gè)發(fā)現(xiàn)中子的人。

在當(dāng)時(shí)的人們眼里，這師徒三代發(fā)現(xiàn)的電子、質(zhì)子、中子就是原子結(jié)構(gòu)里的三種基本粒子，也就是說它們?nèi)齻€(gè)是不可再分的。那么打開真空顯微鏡，聚焦到原子核與電子之間、質(zhì)子和中子之間的空隙，這是不是就是真空呢？

很遺憾，在發(fā)現(xiàn)三種粒子期間發(fā)生的一起“能量失竊案”，預(yù)示著事情并沒有那么簡單。

真空探索的小插曲：能量失竊案

1896年法國物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的現(xiàn)象：某種元素會(huì)自發(fā)向外放出幾種射線，這種現(xiàn)象被稱為天然放射性。前面提到的盧瑟福，就是利用天然放射性放射出的α射線轟擊金箔才發(fā)現(xiàn)的原子核，他還給幾種射線起了名字（高能電子射線叫作β射線，氦原子核射線叫作α射線）。

1914年，盧瑟福的學(xué)生查德威克發(fā)現(xiàn)某種元素的原子核發(fā)生衰變的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的原子核和β射線粒子。按理來說這就是簡單的一個(gè)衰變過程，但是它的特別之處在于，這個(gè)過程前后的能量不守恒了。

能量守恒定律示意圖

（圖片來源：topperlearning.com）

按照能量守恒定律，衰變之前原子核的能量應(yīng)該等于衰變之后的新原子核能量加上β粒子的能量，但是現(xiàn)在衰變之后的能量不可思議地少了一丟丟，這就是當(dāng)時(shí)轟動(dòng)一時(shí)的“能量失竊案”。

此案一出，各方大佬都想解釋這個(gè)現(xiàn)象，特別是量子學(xué)派掌門人玻爾顯得異常興奮，他甚至想直接廢棄掉傳統(tǒng)的能量守恒，改換成統(tǒng)計(jì)守恒。什么意思呢？簡單來說就是經(jīng)過多次測(cè)量能量是守恒的，單次測(cè)量就不一定守恒。

好在他的學(xué)生泡利比較冷靜，他覺得為了一個(gè)β衰變現(xiàn)象廢掉使用多年的能量守恒定律，沒必要啊。泡利心想：能量少了，我再假設(shè)一個(gè)看不見的粒子給它補(bǔ)上就行了，而且由于電荷守恒，這個(gè)粒子一定不帶電。就這樣泡利預(yù)言了一種新的粒子，后來物理學(xué)家費(fèi)米給它起了個(gè)名字叫中微子。

1933年費(fèi)米在泡利的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，提出了“β衰變理論”，認(rèn)為原子核里的質(zhì)子和中子可以互相轉(zhuǎn)化，中子放出一個(gè)電子和中微子變成一個(gè)質(zhì)子，質(zhì)子放出一個(gè)正電子和中微子變成一個(gè)中子。至于這個(gè)正電子是啥，我們后面再解釋。

β衰變理論

（圖片來源：作者自制）

這套“β衰變理論”前后能量、電荷全部守恒，堪稱完美。但是當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家們一直不想承認(rèn)這套理論，主要原因是費(fèi)米和泡利預(yù)言的中微子實(shí)在是太小了，人類有沒有能力探測(cè)到它還是個(gè)未知數(shù)。

直到1956年萊茵斯和科溫才探測(cè)到中微子的影子，后來的研究還發(fā)現(xiàn)中微子不光有一種，而是三種，從而有力證實(shí)了費(fèi)米和泡利的想法?，F(xiàn)在關(guān)于中微子的研究還是一個(gè)剛剛起步的狀態(tài)，2015年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就頒給了證明了中微子振蕩的梶田隆章和麥克唐納。

這下，粒子家族又多了一個(gè)中微子，那當(dāng)我們用“真空顯微鏡”剔除掉中微子之后，我們離真正的真空還有多遠(yuǎn)？別急，且看下回分解。

來源：科學(xué)大院