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

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，強調空空如也。順便說一句，英語中含接連兩個 u 的單詞屈指可數，足見其特別。

古希臘的亞里斯多德曾提出，真空不可能存在。中世紀時，人們曾提出一種思想實驗：考慮了當兩個平板迅速分離時，兩個平板之間應該是真空——哪怕只是瞬間。14 世紀時，讓 · 布里丹證實，當風箱的另一頭被徹底封死時，十匹馬一起合力都無法拉動風箱桿。

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

一種類似的思想是，人們認為凡是空洞 ( void ) ，必然導致上帝的對手——惡魔撒旦出現在里面，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，也無法存在。

這其實是一種世界性的共識：真空是恐怖的，所以應該盡量避免它，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，因為房子長期沒人住，鬼就會來安家，所以叫做鬼屋（Haunted house）。我們經常說 " 權力的真空 "，就是指某個地方缺乏管理，是非常危險的。

順便說一句，我信科學不怕鬼，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，這是因為大氣壓將水壓到我們嘴里了的緣故（可別告訴我你有吸力哦！）。但那時候，人們并不知道大氣壓，認為是上帝厭惡真空，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，但在相當長的時間內，它的確比較好的解釋了與抽水相關的很多問題。所以，我們應以歷史的眼光來看待那些已經過時的理論。

其實物理學中的那些假設也都是如此，你根本不知道它們為什么成立，但只要你先接受它們，你就具有了描述和預測物理現象的理論，否則你將寸步難行，除非你有能力發明另一套新的理論。即使將來某個假設真被推翻了，那也是很正常的事，因為物理只服從于實驗。

真空的研究和利用

1654 年，德國馬德堡市的市長奧托 · 馮 · 蓋里克發明了第一臺真空泵，并進行了他著名的馬格德堡半球實驗。結果表明，由于半球外的大氣壓力，馬隊無法將兩個部分排空空氣的半球分開。

隨后，Robert Boyle 改進了蓋里克的設計，并在胡克的幫助下進一步開發了真空泵技術。此后，對部分真空的研究一直持續到 1850 年，當時奧古斯特 · 托普勒發明了托普勒泵，1855 年海因里希 · 蓋斯勒發明了水銀置換泵，實現了氣壓約為 10Pa 的真空。

正是在這種真空水平下，許多電學性質變得可以觀察到，這重新引起了人們對進一步研究的興趣，所以真空的研究對電磁學的發展起了很大的推動作用。隨后，人們發現，各種研究和應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，以保護燈絲免受化學降解。真空產生的化學惰性也適用于電子束焊接、冷焊、真空包裝和真空油炸。

現代超高真空技術廣泛被用于原子級清潔基板的研究，因為只有非常好的真空才能將原子級清潔表面保持相當長的時間（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，它們對半導體和光學涂層的制造以及表面科學至關重要。

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，促進低溫放氣，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設備，而真空電弧工藝對于生產某些等級的鋼或高純度材料具有重要的工業意義。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運行時的損耗。

部分真空與完美真空

現在，絕大多數情形下，我們說真空是指氣壓遠遠低于標準大氣壓的空間。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。當然，如果你是一個非常嚴謹的人，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，不可能在實驗室中實現，盡管在一個極小體積內，可能碰巧在某個很短的時間內沒有物質粒子。即使你移除了所有的物質粒子，仍然會有無數個光子和中微子，以及暗能量、虛擬粒子和真空漲落等其他方面的影響。

所以你應該明白，為什么我們對真空的要求大大縮水了吧！

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

換句話說，所謂 " 真空 "，其實都是妥妥的假貨！但人們仍舊故意把它說成 " 真空 "，無關科學的嚴謹性，純粹是因為歷史原因，更不是 " 此地無銀三百兩 " 式的謊言。

現實中的真空，都或多或少的含有氣體分子，只是相對大氣來說，真空中單位體積內所包含的氣體分子數要小很多很多，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，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反應將其消耗變為固體等。

但真正行之有效的方法還是看起來更簡單粗暴的抽氣——當然是借助各種高精尖的真空泵的組合使用來實現。之所以說 " 看起來更簡單 "，是因為這種方法雖然最容易想到，貌似簡單，其實一點也不簡單。

為了獲得超高真空，除了所采用的真空泵的技術指標外，對于密封件的選擇、腔室幾何形狀、材料和真空泵的組合和工作的程序等都有嚴格的要求，相關的技術統稱為真空技術。

實踐表明，無論你采用的真空技術多么高明，總有一些微量的氣體或其他物質分子還殘留在容器中。這當然有各種原因，除了漏氣之外，例如還有因為容器內壁的放氣（Outgassing）的問題，因為任何物質（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，一般就是該物質的分子。

這一點，古希臘的哲學家亞里斯多德有先見之明。他曾說，空間中不會出現空洞，因為即使出現，也必然會被周圍密度更大的物質自動填補。其實，這就是物理中的 " 擴散 " 現象——只要空間中的粒子密度不均勻，熱運動就會導致物質從密度高的地方轉移到密度低的地方。

你想啊，用來裝真空的容器本身也是由微粒構成，那這些微粒自然無法避免擴散的問題吧。所以，即使空間中真的出現一個沒有物質的區域，那包圍它的那些物質時刻都在微弱的放氣——擴散物質到這空間中來，所以真空的保存同樣是很困難的。

所以，無論你費多大力氣把一個密閉空間抽成真空，它的內部都不可避免的會慢慢出現越來越多的物質粒子，因為它本身就被物質包裹著。

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，壓強在 100Pa 以下，可借助普通鋼和真空泵獲得；

中真空，壓強在 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現；

超高真空，壓強在 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、烘烤和高真空泵實現；

極高真空，壓強低于 Pa，可通過真空燒結低碳不銹鋼、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現。

完整的真空表征，需要更多的參數，如溫度和化學成分等。其中一個最重要的參數是殘余氣體的平均自由程（MFP），它指示了分子在連續兩次碰撞之間移動的平均距離。空氣在大氣壓下的 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 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，流體力學的連續性假設不適用。這種真空狀態就是高真空，研究這種狀態下的流體流動被稱為粒子氣體動力學。

自然界中真空度最高的真空并不是從實驗室中獲得的，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幾十萬個氣體分子，不過其 MFP 高達上萬公里！

而對于那種遠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，根本無法產生壓強，常規的真空度已經失效了。就目前所知，遠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 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，由于遠離一切物質（不考慮中微子、光子和暗物質），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就是工作在高真空區域的，它的主體是一個被抽成高真空的玻璃泡，內有一組可旋轉的葉片。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生壓力，由于葉片兩側對光吸收率不同，所導致的壓力差使葉片發生旋轉，旋轉速度越快，光線就越強，從而提供了電磁輻射強度的定量測量。

這里的一個問題是，為什么輻射計內部要抽成高真空？因為較高的氣壓會導致較大的空氣阻力，只有當空氣極其稀薄時，葉片兩側溫差所產生的壓力差才能超過空氣阻力而使葉片轉動起來。

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，分子碰撞葉片產生的壓強太小，葉片也無法轉動，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域。

完美真空的本質

以上就是傳統真空的那些事。但真空的內涵遠不止這些。

下面這部分講的可能你不太懂，沒關系，不懂才是正常的。

從上世紀 30 年代以來，隨著量子理論的發展，人們認識到即使是完美真空，實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。他認為完美真空實際上是由無限多個具有負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，兩年后安德森就發現了正電子。

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現而被確認的。根據量子電動力學，電子之間的碰撞，可用交換虛光子來實現，而虛光子可以產生正負電子對。因此真空可以看作是充滿虛光子和電子對的海洋。根據海森堡的不確定原理，真空內部并不平靜，而是在短時間內可涌現巨大的能量。因此，真空可以在極短的時間內衍生出大量的粒子，然后瞬間消失。

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

再后來，人們還從量子信息視角發現了真空更豐富的內涵，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，那應該是絕對零度吧？光照真空會不會產生高溫？

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？還是實驗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，那何來做無規則熱運動的粒子？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，那也無法達到熱力學的要求——大量做無規則熱運動的粒子構成的系統，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，差點忘了，宇宙星際空間中有光子，還有中微子。他們都會產生背景輻射，這都會導致溫度的！

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。輻射強度與波長（或頻率）之間的關系曲線，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果。

現代宇宙學的研究表明，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之一。以前的老式電視機在沒有信號時，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度與波長的曲線如下圖所示，正好相當于 2.725K 的黑體輻射曲線，所以宇宙背景輻射對應的溫度就是 2.725K。

換一個角度，只要將光子能量與溫度關聯起來，我們也可以得到這個溫度值。根據普朗克公式，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， 為普朗克常數，據此，我們總可以將輻射中峰值處對應光子的頻率與溫度對應起來，代入上圖中的數據——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，只有局部出現輕微的溫度漲落，因此可以認為宇宙的平均溫度差不多也是 2.725K。

對于中微子，它也會導致一種輻射，叫宇宙中微子背景（CNB）輻射，不過那個輻射對應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到平衡。

所以，星際空間中存在兩個獨立的溫度。

如果是一般的實驗室中的真空，那么這真空內外還有很多物質，真空只是被物質包圍的空腔，這些物質當然可以發出熱輻射，也就是光子，按照黑體輻射的規律，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，當然就會導致其溫度升高了。

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，哪怕物質粒子達到星際空間的水平（這是不可能的），由于容器壁會發出光子，所以一定是有溫度的。

不過，如果通過低溫技術，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。空腔內部沒有光子了，此時空腔內可看作是一個沒有熱輻射的空間。