真空（vacuum）

真空(vacuum)的含义是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态，是一种物理现象。真空按其词源原本是指虚空，即一无所有的空间。在“虚空”中，声音因为没有介质而无法传递，但电磁波的传递却不受真空的影响。

人类对真空的认识是一个不断发展、不断深入的过程，最初人们认为真空就是空无一物的空间，后来发现空间充满空气，随后又认为抽掉空气后的空间就是真空。

现在，随着科学技术、科学发现的不断进步，人们对真空的获得、真空的测量和应用都有了迅猛发展。在对微观世界的探究中，物理学家又赋于真空新的含义，真空已成为物理学研究中的一个新热点。

1、早期认识的真空

16世纪末期以前，古希腊哲学家亚里士多德否定真空存在的观点占主导地位，人们以“自然界害怕真空”为由论证真空的不存在。

进入17世纪以后，随着原子论的复活，承认真空的观点也在不断发展。大约在1644年托里拆利做了著名的“托里拆利实验”，托里拆利将一端封闭、一端开口的细长玻璃管中注满水银，然后封住开口端竖直倒插入水银槽中，打开开口端后部分水银流入水银槽，在玻璃管内上部得到了一段真空。

为了证明玻璃管上方确实是空的，托里拆利给水银槽上面加满了水，当把管子慢慢提起使其下端刚刚处于有水部分时，管内的水银全部流出，水涌上管内，以此来说明真空的存在。

实际上，托里拆利获得的并非是无空气分子的真空，不过是空气非常稀簿而已。直到今天，人类也无法通过技术去抽光某一范围内的空气而达到所谓“技术真空”。现代高能加速器内需达到几亿亿分之一大气压的超高真空，就是在那里，每立方厘米的空间仍有几百个空气分子。

2、“场”观念兴起，真空不空

如果我们把问题推到极限，设想确有一个既没有空气分子，也没有其它任何实物粒子的空间，那么它是否真的就是“空”的呢?

19世纪三、四十年代，随着法拉第对电磁现象的不断研究，1845年11月，他第一次提出了“磁场”一词，并认为磁场是独立于物体的另一种物质，且充满了整个空间。

在此基础上麦克斯韦又作了深入研究，不断获得重大进步，1865年麦克斯韦发表“电磁场的动力理论”标致着麦克斯韦电磁场理论的建立。

1887年麦克斯韦电磁场理论被赫兹的电磁波实验光辉证实。就这样，一种新的物质形式——“场”，不可抗拒地破土而出，登上了物理学的殿堂。

于是，人们认识到物质存在的形式有两种：一种是实物，是由分子、原子组成的;另一种是场，如电场、磁场等，它们是充满全空间的，可以脱离实物而独立存在。虽然它们摸不到、看不见，但它就象我们喝的水、坐的凳子一样，是客观存在着的物质。在我们的周围空间不仅存在空气、实物粒子流，同时还存在着电磁波、光子。茫茫宇宙充满了背景辐射，哪里也没有绝对的“空”。

3、真空：波涛汹涌的负能粒子海洋

1928年，狄拉克创立了一个与爱因期坦狭义相对论相协调的量子力学理论，即描写单个电子的相对性波动方程。科学家发现这个狄拉克方程有负能量的解，这给物理学诠释带来严重困难。

如果是这样，电子就会一步一步地、无限地向负能量状态跃迁，从而无限制地不断释放能量，以至原子发生灾难性崩溃。为了避免所有电子都跌入负能量的深渊，狄拉克在1930年提出正电子的空穴理论。

他假定：在现实世界中，几乎所有负能量的状态都已被粒子占据，由于这些粒子服从泡利不相容原理，所以处在正能量状态的粒子就不能无限制地跃迁到负能量态。

在狄拉克空穴理论预言电子的反粒子——正电子存在两年后，1932年，安德森从宇宙射线中发现了正电子。正电子的发现是20世纪最重大的发现之一。它证实了反粒子的存在，证实了粒子可以产生、也可以湮灭和转化。

据此，量子场论给我们描绘了这么一幅真空图景：在微观世界，存在一个起伏不定的负能量海洋，真空被定义为处于能量最低态的量子场。真空中充满了无穷多虚的正、反粒子，具有负无穷大的能量和无穷多的电荷。

真空是不平静的，它处在剧烈的真空涨落之中，在极短的时间和极短的距离内，虚粒子不断的产生又湮灭、湮灭又产生。“场”物质和实物粒子之间可以相互转换，在外来电磁场的作用下，真空中虚的正、反粒子就能变成一对真实的粒子，物理粒子不过是真空的激发态。

“真空”不空，它非常充实而极其复杂。真空是有结构的，是一种凝聚态。目前，我们对真空仍然是知之甚少，人们已越来越重视对真空的研究，物理学家认为，物理学中许多基本问题的解决还有待于对真空的认识，真空已成为物理学中的重要关注点。

狱拉克指出，真空并非空无所有，而是体系的所有负能态都已填满而正能态都来被占据的最低能量态。体系的这种最低能量态往往呈现出复杂多样的多重结构。

因为根据规范场理论，当体系的对称性破缺后，体系往往有一个以上或者更多的能量最小值态。以致从另一个局域上看是极小值能量的态，因此真空(态)不是唯一的。即存在着真真空和假真空。两类真空之间虽然有势垒相隔，但体系的一部分由于隧道效应有一定的几率从假真空跃迁到真真空.并释放出相应的能量。

利用真空的种量子跃迁机制，Guth提出了暴涨宇宙论并成功地解决了宇宙起源中的一些深层次问题。真空的一个重要属性就是体系在临界温度Tc附近时，将可能发生对称破缺相变，并且像通常的相变一样，这种对称破缺相变会存在一些缺陷，其内部仍然保侍着原真空的一些性质，如真空畴等，不同真空畴交接处将形成融单扳子。

关于真空的另一个新概念是真空的对称性自发破缺，Higgs利用这一概念解决了弱相互作用的规范场量子质量为零的困难，从而使弱相互作用与电磁相互作用统一理论取得了重大进展。

八十年代初期，人们利用克鲁查一克来因理论，预言目前真空能密度的数量级为普朗克质量，约10-5g，平均质量密度的10-14g/cm3。这两个数据虽然与观测值相差较大，但表明了真空有一定的能量和质量，因此真空也许将产生引力场，并可能有引力相互作用问题。

量子理论意义下，真空还可以看成是一种复杂的、沸腾的介质，其中有时瞬间存在虚带电粒子对，这叫做真空涨落。它和分子一样可以被极化，使得有效电荷在短距离上增加，显示有较强的作用力。这种效应，在原子谱中被观察到了。

例如，1947年在实验上观察到的氢光谱的Lamb移位和电子反常磁矩，就是由于这种效应的结果。真空涨落的另一个结果是产生屏蔽效应。利用这种效应，李政道提出了一种夸克的禁闭模型，解释了夸克的禁闭现象。

如果真空涨落发生在黑洞附近，则由于黑洞的强引力场作用，虚的一对e+e-中的一个可能掉进黑洞中，剩下的一个再也无法湮灭，它或者不久也掉进黑洞中，或者逃到无穷远处。其总效果看起来就如同黑洞在发射一样，这就是黑洞强场引起的真空发射，此时正常的真空成为不稳定而衰变为包含其实粒子的新真空。真空的这种性质是我们观察和确定黑洞是否存在的重要依据。

工程真空：

工程真空指的是低于大气压强的气体给定空间，即分子密度小于约2.5×1019/cm3的给定空间。真空的压强(或密度)比标准大气压强低，最低可达19个数量级。

真空是通过对容器进行排气而获得的，真空度随残余气体压强的降低而升高。真空技术是指低于环境大气压的空间(空间是有限的)获得真空和真空环境中进行工艺制作，测量，分析和科学实验的理论和技术，其应用包括:压力差的利用，对通过空间的粒子或分子排除干扰和减低粒子撞击表面的次数。

自然真空：

在地球上，某些动物本能就会使用低真空技术，但是在地球上还没有自然的高真空。地球海平面的压强为1×105Pa，压强随高度的增加而降低，在高达100km的高空(对流层和平流层)以下，每升高15km，压强有规律的降低10%，大约在90km的高空压强为10-1Pa，在10000km的高空压强约为10-11Pa。

1、真空熔炼技术和其应用

真空熔炼技术包括真空电弧熔炼、真空感应熔炼、真空电子束熔炼、真空电渣熔炼四种主要方式，其划分标准是熔炼材料的不同类型。

真空电弧熔炼是指通过强电流对金属进行熔化作业，使其发生物理变化，由固态变为液态，通常用于钨、钼、钛等金属。真空感应熔炼是指通过各种频率的感应设备对金属材料进行熔炼，部分金属强度较大，无法通过电弧等方式熔炼，比如高温状态下形成的合金和高强度钢材料等，这些材料可以通过感应设备进行熔炼。

真空电子束熔炼是指在真空环境下，运用电力设备发射电子束，使目标在电力动能的作用下快速发生反应，增加热能，较快熔化，一般用于一些纯度非常高的合金、金属。真空电渣熔炼是指通过电力设备加快对象变化的速度，通常用于金属的提纯工作。

2、真空蒸馏技术、真空精炼技术和其应用

真空蒸馏技术和真空精练技术包括蒸馏分离技术和化学反应技术两种，以方法原理和技术手段作为划分标准。

真空蒸馏分离技术通常用于金属的提纯工作，其原理是利用不同金属材料和杂质的蒸气压差，通过先挥发后冷凝的方式使不同金属材料、杂质实现分离，通常的工业生产会应用感应炉、电阻炉或者其他密闭设备完成蒸馏。

化学反应技术是利用气体和金属间的反应生成新的化合物，再通过逆反应发现、清除杂质，使获得的金属材料纯度提升，在此期间可以通过催化手段使反应速度加快。

3、真空热处理技术和其应用

真空热处理主要是指在真空环境下通过加热的方式进行冶金作业的一种技术，包括真空淬火、真空退火两种主要形式。

真空淬火是在真空环境下对金属材料进行加热，使其组织结构发生变化，再通过一些冷却介质对金属材料进行冷却，反复进行这一过程，可以将金属材料中的杂质充分去除。其基本原理和传统工业中的淬火是一样的，大部分材料都可以进行真空淬火进行提纯。

真空浇注成型技术是自主开发的快速模具制造和塑件快速制造技术。本项技术具有抽真空速度快、搅拌均匀以及自动浇注、成本低优点，性能与成型效果与国外同类产品相同，真...[查看全部]

真空度是指处于真空状态下的气体稀薄程度。若所测设备内的压强低于大气压强，其压力测量需要真空表。从真空表所读得的数值称真空度。真空度数值是表示出系统压强实际数值低于大气压强的数值，即：真空度=大气压强-绝对压强，绝对压强=大气压+表压(-真空度)。

所谓真空度应该是描述一个抽空容器中达到真空程度的量度，而真空在理论上是指抽空容器中气体分子密度低于一个标准大气压下密度的状态。从这个意义上讲，气体分子密度越稀薄，真空度就越高。

但是气体分子密度这个物理量不好测、所以人们根据气体分子密度与压强P满足方程P=nkT的原理：在温度不变时，与P成正比。于是就以压强来表述真空度，其单位也就是压强单位。抽空容器中压强高，则气体密度大，真空度就低;反之，压强低则真空度高。

在被抽空容器中的气体分子密度为零(即被抽空得一个气体分子也不存在的理想状态)时，就是真空度最高的极限。这时其压强低到零，称为绝对零压：这就产生了真空度标定的一个基本参照点。

真空度的标定实际上也和温标的标定一样，存在一个定标原则，那就是：

首先要确定测空物质，是利用U型水银柱，还是利用弹性元件，或者其他具有测空属性的物质。其次就是要确定所选物质某一属性真空度的函数关系。例如U型水银柱高度差与真空度的函数关系，弹性元件的弹性与真空度的函数关系。再有就是要规定定标方法和确定参照点，即零点。

目前确定零点的方法有两种：

第一种是以绝对零压作为真空度的基本参照点，称之为绝对零压法。

其压强越接近绝对零压，真空度越高，选样标定的真空度总是一个正数，其读数越小，真空度就越高。因为要把密闭的容器抽到一个气体分于也不存在的绝对零压实际上做不到，所以在测量上绝对零压不可达到。现代真空技术，最高的真空度电只能达到10-17托的极高真空水平。这也和热力学温标以绝对零度作为基准点一样，绝对零压

真空介电常数，又称为真空电容率，或称电常数，是一个常见的电磁学物理常数，符号为ε0。在国际单位制里，真空介电常数的数值为:

ε0=8.854187817×10-12F/m

真空介电常数是物理量在度量时引进的常数(主要是库仑定律中对电荷量的度量)，根据麦克斯韦方程组，可推知真空介电常数与其它物理常数的关系。

ε0=1/μ0c02

其中，c0是光波传播于真空的光速，μ0是真空磁导率。上式可作为真空介电常数的定义式。

真空介电常数虽然是一个度量系统常数，但如它的定义式一样，这个常数与其它常数或物理量是相关的。由于介电常数本身不是一个常量，与介质的性质有关，真空介电常数也应该与真空有关。

在宇宙背景下，气压是非常低的，完全满足理想气体的要素，选宇宙空间中任一局域(长方体或圆柱体)为研究对象，理想气体状态方程可写为:

PV=NKT

式中P是系统的压强，V表示气体的体积，N为气体分子个数，K为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。

由于F=PS，V=Sl，其中F为作用在气缸两个平行底面的压力，l为气缸长度(即两个平行底面的距离)，则上式可化为:

Fl=NKV

由于想想气体状态方程是实验结果，因此上式与实验规律直接相关，等式左右两边都具有能量的量纲。上式可解释为整个系统处在一个保守力场之中，单位横截面上的力密度为F/S，为上述两个底面间势能的增量，KT为系统微观粒子的平均动能，NKT为系统的总动能。上式把系统的宏观能量与微观粒子所具有的平均能量联系在一起，值得注意的是:这个解释不同于能量均分定理。

对于围绕原子核中心做圆周运动的电子，该电子从所在的能级电离时，所吸收光子的频率(vn)与电子轨道动能(Ekn)的关系为:hvn=2Ekn。考虑真空背景系统，如果KT解释为微观粒子的平均动能，则2KT为微观粒子的平均机械能，类比hvn=2Ekn，有2KT=hv得:

真空是不稳定的，处于高能级上的量子总要向低能级跃迁，这就是真空衰变的本质。

1、“真真空”的定义

可以从两个方面给“真真空”下定义：

(1)从宇宙膨胀的角度考虑，随着宇宙的膨胀，宇宙空间的平均能量密度变小，如果宇宙无限膨胀，那么其中的真空场物质的密度也会趋向0，所以可以定义，“真真空”是：有限真空空间无限膨胀的最后状态;

(2)另一种方法是仿照“真空”概念的定义，首先定义什么是“容器空间”，如果在地球表面设想一个立方体，其中可以包含气体、液体或固体等普通物质，将这些物质从这个立方体中移去，那么剩下的空间就是这些有质物质的容器空间。所以“真空”的定义是：有质物质的容器空间。真空并非一无所有，其中至少存在各种“场物质”，如：宇宙背景辐射、引力场等。所以“真真空”的定义是：真空场物质的容器空间。

2、什么是假真空

按照暴涨模型，宇宙在大爆炸之后，可能经历过一个超乎想像的急遽加速膨胀的过程。导致这个过程的原因之一就是假真空的形成。

宇宙曾经从最初的奇点，演化出一个性质处处相同的体系。性质处处相同这个特点颇似真空，但与真空不同的是，这个体系的能量密度极大，而真正的真空指的是能量密度处于最低的基态的状态，因此这个状态称为“假真空”，意思在于它的能量密度大到了均匀得反而类似于真空。

假真空带来了一个奇特的效应就是与恒星演化晚期的引力收缩截然相反的“负压力”，所以导致了暴涨过程的发生。后来随着宇宙的膨胀，能量密度逐渐降低，负压逐渐消失，宇宙也就开始进入常规的膨胀时期。而随着量子涨落与玻色子的退耦，假真空的对称性发生破缺，于是形成了最低能态的真正的真空和最初的宇宙物质团块，逐渐演化成了现今的宇宙空间与星系物质。

3、产生“真真空”的方法

“真空”的存在性最后是通过实验证明的，所以“真真空”的存在性也只能由实验判决。可能产生“真真空”的方法有许多，本文列举

真空镀膜技术是气相物理沉积的方法之一，也叫真空电镀。是在真空条件下，用蒸发器加热镀膜材料使之升华，蒸发粒子流直接射向基体，在基体表面沉积形成固体薄膜。

真空镀膜的应用广泛，如真空镀铝，在塑料等基体上进行真空镀，再经过不同颜色的染色处理，可以应用于家具、工艺品、灯饰、钟表、玩具、汽车灯具、反光镜及柔软包装材料等产品制造中，装饰效果十分出色。

真空镀膜过程简单来说就是电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子(或分子)沉积在基片上成膜。

但在实际辉光放电直流溅射系统中，自持放电很难在低于1.3Pa的条件下维持，这是因为在这种条件下没有足够的离化碰撞。因此在低于1.3～2.7Pa压强下运行的溅射系统提高离化碰撞就显得尤为重要。提高离化碰撞的方法要么靠额外的电子源来提供，而不是靠阴极发射出来的二次电子;要么就是利用高频放电装置或者施加磁场的方式提高已有电子的离化效率。

事实上，真空镀膜中二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑磁力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材，经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离靶材，最终沉积在基片上。

真空镀膜就是以磁场束缚而延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。电子的归宿不仅仅是基片，真空室内壁及靶源阳极也是电子归宿，因为一般基片与真空室及阳极在同一电势。磁场与电场的交互作用(EXB drift)使单个电子轨迹呈三维螺旋状，而不是仅仅在靶面圆周运动。

1、镀覆材