真空是什么?(应该不是什么都没有吧?)
答:
通常我们理解真空 , 就是什么都没有 , 我们可以用气压来衡量真空度(也可以用单位体积内的粒子数目) , 一般低于大气压的我们就可以称为粗真空 , 低于10^-6Pa我们就称为超高真空(详见下图) 。 一般我们在实验室能做到超高真空 , 而在太空中 , 每立方米只有几个粒子 , 近乎真正的真空 。
真空的分类 , 图中Torr为压强单位 , 为1mm汞柱 , 约133Pa
当然 , 我觉得你想问的可能并不是这个 。 实际上 , 除了实粒子以外 , 我们也确实发现一些现象指向真空中还有我们未知的物质 。 我们简单介绍一下 。
狄拉克电子海 。1927年 , 狄拉克提出狄拉克方程 。 狄拉克方程的解预言了一种存在负能量的电子 。 据此 , 狄拉克提出 , 真空是所有负能量的状态 , 每个负能量的状态都有一个电子占据 , 真空就可以看成填满了所有负能量状态的电子形成的大海 , 带正能量的电子就在海面上运动 。 当狄拉克海中的电子受到能量 , 就会激发到海面上 , 在海里留下一个空穴 , 这个空穴相当于一个带正电的电子 。 而正电子最终被安德森发现 。
真空涨落与兰姆移位和电子反常磁矩 。上世纪中叶 , 物理学家建立了量子电动力学 , 量子电动力学是一种量子场论 , 每一种粒子对应一种场 , 粒子就是场的激发态 。 电子之间可以通过交换虚光子发生相互作用 , 而这个虚光子可以变成一对虚的正负电子 , 虚的正负电子也可以湮灭称为虚光子 。 量子电动力学认为 , 真空中存在大量虚光子、虚正负电子对 , 这就是真空涨落 , 这种涨落可以引起兰姆移位和电子反常磁矩 。
卡西米尔效应 。1948年 , 卡西米尔提出 , 真空中两块平行放置的中性导体平板之间 , 存在微弱的吸引力 , 这就是卡西米尔效应 。 量子电动力学认为 , 电磁场可以量化为不同能级的谐振子 , 真空就是这些谐振子的基态 。 因此 , 我们可以据此计算依赖两平板间距的真空能量 , 即卡西米尔能量 。 该效应在2011年被观察到 。
Higgs粒子 。量子场论理论认为 , 粒子场满足规范不变性 , 但规范不变性要求粒子没有质量 。 南部阳一郎提出 , 系统的基态或真空态不具备这种对称性 , 即真空自发对称破缺 。 希格斯等人提出 , 真空中存在一个复标量场(Higgs场)与规范场耦合 , 当真空态发生自发对称破缺时 , 就可以使规范场粒子获得质量 , 这个标量场对应的的粒子被称为Higgs粒子 。 Higgs粒子于2012年被发现 。
除了上述这些现象以外 , 还有其他像诸如夸克禁闭等现象也都提示我们真空中还有很多我们未知的物质 。 我们对真空的认识还任重而道远 。
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