前幾天，有人問我這么一個問題：" 真空既然什么都沒有，那應(yīng)該是絕對零度吧？光照真空會不會產(chǎn)生高溫？"

在回答這個問題之前，先得弄清楚什么是真空。

真空里面有魔鬼？

真空本來的含義是 " 沒有物質(zhì)的空間 "。vacuum 這個詞來自拉丁語形容詞 vacuus，看起來也蠻形象：字母 u 像一個容器，接連兩個 u，強(qiáng)調(diào)空空如也。順便說一句，英語中含接連兩個 u 的單詞屈指可數(shù)，足見其特別。

古希臘的亞里斯多德曾提出，真空不可能存在。中世紀(jì)時，人們曾提出一種思想實(shí)驗(yàn)：考慮了當(dāng)兩個平板迅速分離時，兩個平板之間應(yīng)該是真空——哪怕只是瞬間。14 世紀(jì)時，讓 · 布里丹證實(shí)，當(dāng)風(fēng)箱的另一頭被徹底封死時，十匹馬一起合力都無法拉動風(fēng)箱桿。

有哲學(xué)家提出，大自然極度厭惡真空，所以不讓真空出現(xiàn)，即使在瞬間產(chǎn)生，物質(zhì)就會馬上來填充這些空間，這種觀點(diǎn)稱之為 " 恐怖真空 "。甚至有人提出，即使上帝愿意，他都無法創(chuàng)造真空。

一種類似的思想是，人們認(rèn)為凡是空洞 ( void ) ，必然導(dǎo)致上帝的對手——惡魔撒旦出現(xiàn)在里面，為了避免這種情況，全能的上帝會立刻將空洞填滿。所以空洞即使出現(xiàn)，也無法存在。

這其實(shí)是一種世界性的共識：真空是恐怖的，所以應(yīng)該盡量避免它，老天也在幫我們，所以真空一般是短命的。例如，世界上不管哪個民族的人，都懼怕空房子，因?yàn)榉孔娱L期沒人住，鬼就會來安家，所以叫做鬼屋（Haunted house）。我們經(jīng)常說 " 權(quán)力的真空 "，就是指某個地方缺乏管理，是非常危險(xiǎn)的。

順便說一句，我信科學(xué)不怕鬼，所以有好的鬼屋，不要可以送我，像下面這樣的我是絕對可以笑納的。

實(shí)際上，這個說法還解釋了另一個物理問題：為什么用吸管可以喝水？今天我們都知道，這是因?yàn)榇髿鈮簩⑺畨旱轿覀冏炖锪说木壒?/strong>（可別告訴我你有吸力哦！）。但那時候，人們并不知道大氣壓，認(rèn)為是上帝厭惡真空，所以他立刻派水來淹沒被吸走空氣的管子，因此就把水順便送到我們嘴里來了。

雖然上面這個想法看起來很荒謬，但在相當(dāng)長的時間內(nèi)，它的確比較好的解釋了與抽水相關(guān)的很多問題。所以，我們應(yīng)以歷史的眼光來看待那些已經(jīng)過時的理論。

其實(shí)物理學(xué)中的那些假設(shè)也都是如此，你根本不知道它們?yōu)槭裁闯闪?，但只要你先接受它們，你就具有了描述和預(yù)測物理現(xiàn)象的理論，否則你將寸步難行，除非你有能力發(fā)明另一套新的理論。即使將來某個假設(shè)真被推翻了，那也是很正常的事，因?yàn)?strong>物理只服從于實(shí)驗(yàn)。

真空的研究和利用

1654 年，德國馬德堡市的市長奧托 · 馮 · 蓋里克發(fā)明了第一臺真空泵，并進(jìn)行了他著名的馬格德堡半球?qū)嶒?yàn)。結(jié)果表明，由于半球外的大氣壓力，馬隊(duì)無法將兩個部分排空空氣的半球分開。

隨后，Robert Boyle 改進(jìn)了蓋里克的設(shè)計(jì)，并在胡克的幫助下進(jìn)一步開發(fā)了真空泵技術(shù)。此后，對部分真空的研究一直持續(xù)到 1850 年，當(dāng)時奧古斯特 · 托普勒發(fā)明了托普勒泵，1855 年海因里希 · 蓋斯勒發(fā)明了水銀置換泵，實(shí)現(xiàn)了氣壓約為 10Pa 的真空。

正是在這種真空水平下，許多電學(xué)性質(zhì)變得可以觀察到，這重新引起了人們對進(jìn)一步研究的興趣，所以真空的研究對電磁學(xué)的發(fā)展起了很大的推動作用。隨后，人們發(fā)現(xiàn)，各種研究和應(yīng)用越來越離不開真空，真空研究越來越引起人們的興趣。

真空首次廣泛使用是在白熾燈泡中，以保護(hù)燈絲免受化學(xué)降解。真空產(chǎn)生的化學(xué)惰性也適用于電子束焊接、冷焊、真空包裝和真空油炸。

現(xiàn)代超高真空技術(shù)廣泛被用于原子級清潔基板的研究，因?yàn)橹挥蟹浅：玫恼婵詹拍軐⒃蛹壡鍧嵄砻姹３窒喈?dāng)長的時間（大約幾分鐘到幾天）。而超高真空能徹底消除空氣障礙，允許粒子束沉積或移除材料而不受污染，這是化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積和干法蝕刻背后的原理，它們對半導(dǎo)體和光學(xué)涂層的制造以及表面科學(xué)至關(guān)重要。

由于真空中對流大幅降低，這為保溫瓶提供了隔熱效果。真空能有效降低液體的沸點(diǎn)，促進(jìn)低溫放氣，用于冷凍干燥、粘合劑制備、蒸餾、冶金和工藝吹掃。

真空的電學(xué)特性使電子顯微鏡和真空管成為可能，包括陰極射線管。真空滅弧室常用于電氣開關(guān)設(shè)備，而真空電弧工藝對于生產(chǎn)某些等級的鋼或高純度材料具有重要的工業(yè)意義。通過真空消除空氣摩擦，有助于減少飛輪儲能和超速離心機(jī)運(yùn)行時的損耗。

部分真空與完美真空

現(xiàn)在，絕大多數(shù)情形下，我們說真空是指氣壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的空間。言下之意，只要空間僅含有極為稀薄的氣體，我們就可稱之為真空。當(dāng)然，如果你是一個非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娜?，你可以稱之為 " 部分真空 "。但恐怕別人覺得這是畫蛇添足。

而你心目中的那種 " 徹底的空無一物 " 的真空被稱作 " 完美真空（perfect vacuum）" 或叫 " 自由空間（free space）"，它是指：

空間中不存在任何具有能量和動量的粒子，即排除掉任何物質(zhì)粒子（例如原子、電子等）和場粒子（例如光子）的空間，并且，廣義相對論下的愛因斯坦張量的所有分量都為零。

很顯然，這種完全沒有粒子的理想狀態(tài)，不可能在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)，盡管在一個極小體積內(nèi)，可能碰巧在某個很短的時間內(nèi)沒有物質(zhì)粒子。即使你移除了所有的物質(zhì)粒子，仍然會有無數(shù)個光子和中微子，以及暗能量、虛擬粒子和真空漲落等其他方面的影響。

所以你應(yīng)該明白，為什么我們對真空的要求大大縮水了吧！

實(shí)踐表明，真正空無一物的空間目前無法得到，實(shí)際中也不存在。但 " 真空 " 二字已經(jīng)被廣泛使用，如果真打假的話，牽涉面太廣了。所以就這樣一直用到現(xiàn)在。

換句話說，所謂 " 真空 "，其實(shí)都是妥妥的假貨！但人們?nèi)耘f故意把它說成 " 真空 "，無關(guān)科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性，純粹是因?yàn)闅v史原因，更不是 " 此地?zé)o銀三百兩 " 式的謊言。

現(xiàn)實(shí)中的真空，都或多或少的含有氣體分子，只是相對大氣來說，真空中單位體積內(nèi)所包含的氣體分子數(shù)要小很多很多，甚至完全可以被忽略。從這個意義上說，真空并不是一種確定的狀態(tài)，而是指一種相對的含義。

真空主要靠抽

你可能不太理解，不就是把容器中的氣體都去掉嘛，就這么難嗎？

真的不是你想像的那么簡單。你想想，有什么方法能有效的趕走那些空氣分子呢？

千百年來，人們想過很多方法，例如，將一個密閉的空間拉大；再就是，讓某種氣體充滿一個密閉空腔然后通過化學(xué)反應(yīng)將其消耗變?yōu)楣腆w等。

但真正行之有效的方法還是看起來更簡單粗暴的抽氣——當(dāng)然是借助各種高精尖的真空泵的組合使用來實(shí)現(xiàn)。之所以說 " 看起來更簡單 "，是因?yàn)檫@種方法雖然最容易想到，貌似簡單，其實(shí)一點(diǎn)也不簡單。

為了獲得超高真空，除了所采用的真空泵的技術(shù)指標(biāo)外，對于密封件的選擇、腔室?guī)缀涡螤睢⒉牧虾驼婵毡玫慕M合和工作的程序等都有嚴(yán)格的要求，相關(guān)的技術(shù)統(tǒng)稱為真空技術(shù)。

實(shí)踐表明，無論你采用的真空技術(shù)多么高明，總有一些微量的氣體或其他物質(zhì)分子還殘留在容器中。這當(dāng)然有各種原因，除了漏氣之外，例如還有因?yàn)槿萜鲀?nèi)壁的放氣（Outgassing）的問題，因?yàn)槿魏挝镔|(zhì)（甚至金屬也好）在它所處的空間的氣壓低到一定程度時，都會放出氣體，一般就是該物質(zhì)的分子。

這一點(diǎn)，古希臘的哲學(xué)家亞里斯多德有先見之明。他曾說，空間中不會出現(xiàn)空洞，因?yàn)榧词钩霈F(xiàn)，也必然會被周圍密度更大的物質(zhì)自動填補(bǔ)。其實(shí)，這就是物理中的 " 擴(kuò)散 " 現(xiàn)象——只要空間中的粒子密度不均勻，熱運(yùn)動就會導(dǎo)致物質(zhì)從密度高的地方轉(zhuǎn)移到密度低的地方。

你想啊，用來裝真空的容器本身也是由微粒構(gòu)成，那這些微粒自然無法避免擴(kuò)散的問題吧。所以，即使空間中真的出現(xiàn)一個沒有物質(zhì)的區(qū)域，那包圍它的那些物質(zhì)時刻都在微弱的放氣——擴(kuò)散物質(zhì)到這空間中來，所以真空的保存同樣是很困難的。

所以，無論你費(fèi)多大力氣把一個密閉空間抽成真空，它的內(nèi)部都不可避免的會慢慢出現(xiàn)越來越多的物質(zhì)粒子，因?yàn)樗旧砭捅晃镔|(zhì)包裹著。

真空度與真空級別

真空的程度，叫做真空度。一般情況下，真空度主要由壓強(qiáng)來表征。真空度從低到高，分為 5 個級別，依次分別是：

低真空，壓強(qiáng)在 100Pa 以下，可借助普通鋼和真空泵獲得；

中真空，壓強(qiáng)在 100 到 0.1Pa 之間，一般借助不銹鋼和真空泵獲得；

高真空，壓強(qiáng)在 0.1 到 Pa 之間，可通過不銹鋼、彈性體密封件和高真空泵實(shí)現(xiàn)；

超高真空，壓強(qiáng)在 到 Pa 之間，可通過低碳不銹鋼、金屬密封件、特殊表面處理和清潔、烘烤和高真空泵實(shí)現(xiàn)；

極高真空，壓強(qiáng)低于 Pa，可通過真空燒結(jié)低碳不銹鋼、金屬密封件、特殊表面處理和清潔、烘烤和額外的吸氣劑泵來實(shí)現(xiàn)。

完整的真空表征，需要更多的參數(shù)，如溫度和化學(xué)成分等。其中一個最重要的參數(shù)是殘余氣體的平均自由程（MFP），它指示了分子在連續(xù)兩次碰撞之間移動的平均距離?？諝庠诖髿鈮合碌?MFP 很短，為 70nm。隨著氣體密度降低，MFP 增加，在 100mPa 室溫空氣的 MFP 約為 100 毫米。

當(dāng) MFP 的值比腔室、泵、航天器或其他容器的尺寸更大時，意味著氣體分子在容器中運(yùn)動時，幾乎只與容器壁碰撞，分子彼此之間的作用完全可以忽略，流體力學(xué)的連續(xù)性假設(shè)不適用。這種真空狀態(tài)就是高真空，研究這種狀態(tài)下的流體流動被稱為粒子氣體動力學(xué)。

自然界中真空度最高的真空并不是從實(shí)驗(yàn)室中獲得的，而是來自廣袤的太空中。例如月球表面的大氣壓約為 Pa，所以月球上面就是極高真空。但即使真空度如此高，每立方厘米的空間中卻依然含有高達(dá)幾十萬個氣體分子，不過其 MFP 高達(dá)上萬公里！

而對于那種遠(yuǎn)離各種天體的星際空間，平均每立方厘米只擁有十多個甚至更少的分子，根本無法產(chǎn)生壓強(qiáng)，常規(guī)的真空度已經(jīng)失效了。就目前所知，遠(yuǎn)離任何星系的空間中，每立方厘米含有的分子平均只有 個，那里的光子的平均自由程更是高達(dá) 100 億光年！太不可想象了！這大概是目前自然界中最接近完美真空的真空。

在星際空間中，由于遠(yuǎn)離一切物質(zhì)（不考慮中微子、光子和暗物質(zhì)），幾乎沒有任何力的作用，因此任何處在這里的物體（如果有的話）幾乎是絕對自由的，所以叫 " 自由空間 " 也是很合適的，基于這種空間中運(yùn)動的物體所建立的參考系可以被看作是理想的慣性系。

高真空應(yīng)用的一個例子

常用來測量電磁輻射通量的克魯克斯輻射計(jì)就是工作在高真空區(qū)域的，它的主體是一個被抽成高真空的玻璃泡，內(nèi)有一組可旋轉(zhuǎn)的葉片。葉片暴露在光線下時，葉片附近的氣體分子吸收光后碰撞葉片產(chǎn)生壓力，由于葉片兩側(cè)對光吸收率不同，所導(dǎo)致的壓力差使葉片發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度越快，光線就越強(qiáng)，從而提供了電磁輻射強(qiáng)度的定量測量。

這里的一個問題是，為什么輻射計(jì)內(nèi)部要抽成高真空？因?yàn)檩^高的氣壓會導(dǎo)致較大的空氣阻力，只有當(dāng)空氣極其稀薄時，葉片兩側(cè)溫差所產(chǎn)生的壓力差才能超過空氣阻力而使葉片轉(zhuǎn)動起來。

另一個問題是，是不是玻璃泡的真空度越高越好？非也！如果玻璃泡中的空氣過于稀薄，分子碰撞葉片產(chǎn)生的壓強(qiáng)太小，葉片也無法轉(zhuǎn)動，因此空氣的密度必須處在一個比較合適的范圍，也就是高真空這個區(qū)域。

完美真空的本質(zhì)

以上就是傳統(tǒng)真空的那些事。但真空的內(nèi)涵遠(yuǎn)不止這些。

下面這部分講的可能你不太懂，沒關(guān)系，不懂才是正常的。

從上世紀(jì) 30 年代以來，隨著量子理論的發(fā)展，人們認(rèn)識到即使是完美真空，實(shí)際上也不是一直都是空的。

這其中最重要的理論是 1930 年狄拉克提出的 " 狄拉克海 " 的真空模型。他認(rèn)為完美真空實(shí)際上是由無限多個具有負(fù)能的電子填充而成的。如果讓高能伽馬射線射入真空中，有可能從中打出一個電子來，而在真空中留下一個空穴，這個空穴就是正電子，果然，兩年后安德森就發(fā)現(xiàn)了正電子。

第二個是所謂真空漲落理論，它是隨著蘭姆位移和反常磁矩的發(fā)現(xiàn)而被確認(rèn)的。根據(jù)量子電動力學(xué)，電子之間的碰撞，可用交換虛光子來實(shí)現(xiàn)，而虛光子可以產(chǎn)生正負(fù)電子對。因此真空可以看作是充滿虛光子和電子對的海洋。根據(jù)海森堡的不確定原理，真空內(nèi)部并不平靜，而是在短時間內(nèi)可涌現(xiàn)巨大的能量。因此，真空可以在極短的時間內(nèi)衍生出大量的粒子，然后瞬間消失。

另外，規(guī)范場理論下的真空的對稱性自發(fā)破缺，賦予希格斯粒子質(zhì)量，為質(zhì)量的起源這個物理學(xué)的根本問題提供了一種解決方案。而量子色動力學(xué)中的夸克禁閉理論指出，真空是夸克物質(zhì)的凝聚相。

再后來，人們還從量子信息視角發(fā)現(xiàn)了真空更豐富的內(nèi)涵，這涉及量子比特、量子糾纏等問題，這里就不再扯了吧。

所以，完美真空也并非空無一物。如果說空房子里沒有鬼，那么真空中除了沒有鬼，其他什么都有！

真空的溫度是多少？

最后，來看本文開頭給出的問題：

真空既然什么都沒有，那應(yīng)該是絕對零度吧？光照真空會不會產(chǎn)生高溫？

要回答這個問題，得首先搞清楚，這里的 " 真空 " 是指什么？是完美真空？還是宇宙中的星際空間？還是實(shí)驗(yàn)室中制造出的各種不同真空度的真空？

如果是完美真空，那什么都沒有，那何來做無規(guī)則熱運(yùn)動的粒子？那自然也就無法定義溫度了，因此不是說它的溫度是絕對零度，而是溫度根本不存在！

如果是指星際空間，每立方厘米只有那么寥寥無幾的粒子，那也無法達(dá)到熱力學(xué)的要求——大量做無規(guī)則熱運(yùn)動的粒子構(gòu)成的系統(tǒng)，因此依然無法定義溫度？

且慢！那宇宙的背景溫度為 2.725K，這又是怎么回事呢？

呃，差點(diǎn)忘了，宇宙星際空間中有光子，還有中微子。他們都會產(chǎn)生背景輻射，這都會導(dǎo)致溫度的！

對于光子的部分，得從普朗克的黑體輻射公式說起。

任何具有溫度的物體都會以電磁波的形式向外輻射電磁波，這就是熱輻射。輻射強(qiáng)度與波長（或頻率）之間的關(guān)系曲線，隨溫度不同而不同，溫度越高，其峰值波長越短，如下圖所示，這就是普朗克公式的結(jié)果。

現(xiàn)代宇宙學(xué)的研究表明，宇宙中存在一種各向同性的輻射，稱之為宇宙微波背景（CMB）輻射，是宇宙大爆炸理論最有力的證據(jù)之一。以前的老式電視機(jī)在沒有信號時，顯示像下面這個樣子，這就是 CMB 的模樣。

宇宙微波背景輻射的強(qiáng)度與波長的曲線如下圖所示，正好相當(dāng)于 2.725K 的黑體輻射曲線，所以宇宙背景輻射對應(yīng)的溫度就是 2.725K。

換一個角度，只要將光子能量與溫度關(guān)聯(lián)起來，我們也可以得到這個溫度值。根據(jù)普朗克公式，溫度與曲線峰值處波長成反比，這也被稱為維恩位移定律，即：

其中 2.821439, 為玻爾茲曼常數(shù)， 為普朗克常數(shù)，據(jù)此，我們總可以將輻射中峰值處對應(yīng)光子的頻率與溫度對應(yīng)起來，代入上圖中的數(shù)據(jù)——峰值頻率為 160.23GHz，得到的值差不多就是 2.725K ——我手算過哦，你也試試？

下圖是 NASA 的一臺叫 WMAP 的探測器歷時 9 年繪制的宇宙微波背景輻射全天圖，顯示宇宙的平均溫度非常均勻，只有局部出現(xiàn)輕微的溫度漲落，因此可以認(rèn)為宇宙的平均溫度差不多也是 2.725K。

對于中微子，它也會導(dǎo)致一種輻射，叫宇宙中微子背景（CNB）輻射，不過那個輻射對應(yīng)的溫度的來由與光子的不同，它的平均值是 1.95K。由于中微子根本不與光子作用，所以這兩個溫度之間無法達(dá)到平衡。

所以，星際空間中存在兩個獨(dú)立的溫度。

如果是一般的實(shí)驗(yàn)室中的真空，那么這真空內(nèi)外還有很多物質(zhì)，真空只是被物質(zhì)包圍的空腔，這些物質(zhì)當(dāng)然可以發(fā)出熱輻射，也就是光子，按照黑體輻射的規(guī)律，這些光子充滿的空間肯定也是有溫度的，具體溫度的高低由真空容器的溫度決定。如果你再將光射向這個空間，當(dāng)然就會導(dǎo)致其溫度升高了。

這樣看起來，只要是人工制造的真空，由于離不開容器，那也就無法離開熱輻射了？基本上是這樣！所以，容器中真空，不論它的真空度多高，哪怕物質(zhì)粒子達(dá)到星際空間的水平（這是不可能的），由于容器壁會發(fā)出光子，所以一定是有溫度的。

不過，如果通過低溫技術(shù)，將真空的容器冷卻到絕對零度附近——比宇宙微波背景輻射的溫度還低，那么空腔中的光子全部都被容器壁吸收了。空腔內(nèi)部沒有光子了，此時空腔內(nèi)可看作是一個沒有熱輻射的空間。