理應(yīng)“沒(méi)有任何物質(zhì)”的真空中卻活躍著基本粒子!
什么是真空?是虛無(wú),是宇宙……?在許多人的心目中,真空就是沒(méi)有空氣的空間.環(huán)顧四周,我們可以看到真空包裝袋、暖水瓶的瓶膽、電燈泡等等,它們都是利用了真空的產(chǎn)品.
其實(shí),真空中隱藏著巨大的奧秘.在小到不能再小的微觀世界,竟然可以從什么也沒(méi)有的真空飛出許多基本粒子來(lái).這樣的基本粒子不計(jì)其數(shù),而且它們急匆匆地一會(huì)兒生成,一會(huì)兒消失.真空,絕非我們想象中“靜止”的,什么也沒(méi)有的空間.相反地,真空是一種正在發(fā)生著激烈活動(dòng)的場(chǎng)所,是不可思議的奇異環(huán)境.
要搞清楚真空是什么,就不得不涉及“物質(zhì)的本質(zhì)”和“宇宙如何演化”這兩個(gè)難題.探索真空的本質(zhì)屬于現(xiàn)代科學(xué)的尖端課題.現(xiàn)在,就讓我們踏上探索真空神秘本質(zhì)的科學(xué)之旅吧!
真空真的是“什么都沒(méi)有”嗎?
到真空環(huán)境中實(shí)地檢測(cè)一下……,從“低壓”真空到產(chǎn)生基本粒子的真空
通常,我們說(shuō)宇宙空間是沒(méi)有空氣的真空.真空一詞,字面意思就是“完全空”,“空無(wú)一物”,什么都沒(méi)有.但是,實(shí)地檢測(cè)一下航天飛機(jī)軌道附近的空間,卻發(fā)現(xiàn)那里仍然存在著稀薄的空氣.即使是真空包裝袋和暖水瓶瓶膽夾層里面,也不是什么都沒(méi)有.我們無(wú)論采用什么辦法,都無(wú)法使我們所說(shuō)的真空真的是“沒(méi)有一點(diǎn)空氣”.我們所說(shuō)的真空,不過(guò)是“空氣極其稀薄的空間”罷了.
于是,我們就要懂得“空氣稀薄”是什么意思.我們知道,空氣主要由氧分子和氮分子組成,而且這些分子總是在不停地飛來(lái)飛去.譬如說(shuō),通常處在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的空氣,其中每立方厘米包含有1019個(gè)分子.也就是說(shuō),在一粒骰子大小的空間中就有1萬(wàn)億的1000萬(wàn)倍那樣多數(shù)不清的分子在其中飛來(lái)飛去.空氣中分子的數(shù)量如此巨大,如果用所包含的分子數(shù)來(lái)表示空氣是濃密還是稀薄,顯然很不方便.通常,我們就用氣壓來(lái)表示空氣的稀密程度.
下面,我們來(lái)看什么是一個(gè)密閉容器里的氣壓.容器里飛來(lái)飛去的氣體分子一直在頻繁地撞擊容器壁,其趨勢(shì)是向外推擠容器壁.單個(gè)分子碰在器壁上產(chǎn)生的力自然是微不足道的,然而同時(shí)碰在器壁上的分子數(shù)目非常巨大,合起來(lái)就是很大的力,這種推力就是氣壓.氣壓的性質(zhì)是,當(dāng)溫度和體積不變時(shí),容器中的空氣越稀薄,也就是說(shuō)容器中氣體分子的數(shù)越少,氣壓越低.在自然環(huán)境中,海拔越高的地方,氣壓越低.也就是說(shuō),越往高空去,便越接近“完全空”的真空.
這樣就產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題：氣壓要下降到什么程度,我們才可以說(shuō)那就是真空?按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,真空絕不是“完全空”,而是一種“低于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的氣體充滿空間的狀態(tài)”.由此可知,工業(yè)領(lǐng)域所說(shuō)的真空,與我們平時(shí)想象中的“完全空”的真空相差十萬(wàn)八千里.
不僅如此,還存在著意義不同的另一種“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,簡(jiǎn)直超出了我們的想象.對(duì)此,我們將留待本文后半部分再作詳細(xì)介紹.這里,我們先回顧一下人類探索真空的歷史.