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“真空”，按照字面意思理解就是“真的空”，即完全空無一物的空間。既然如此，我們?yōu)槭裁磿岢觥罢婵绽镉惺裁础边@樣自相矛盾的問題？

這是因為在過去，人類認為只要剔除掉空氣中的雜質，真空便形成了。但隨著我們對物質認知的提升，之前那些被認為是“真空”的空間就像是魔術師的帽子一樣，總能蹦出幾只“兔子”來。

真空魔術師

（圖片來源：作者自制）

科幻電影里有一種“真空顯微鏡”，它可以聚焦到各種物質微粒之間的空隙——也就是“真空”上。今天，就讓我們拿起“真空顯微鏡”，一起回顧人類對物質的研究過程，并來試著回答“真空里有什么”這個問題吧。

第一階段：元素論與原子論的紛爭

古時的很多哲學家都提出過“基本元素”的概念，亞里士多德的老師柏拉圖將其總結為四種：火、地、風、水，也就是說世間萬物都是由這四種元素構成。這便是“元素說”，有點類似于我國古代的“五行學說”。

五行

（圖片來源：維基百科）

亞里士多德在老師柏拉圖的基礎上又添了一種元素——以太，以太意為精質和永恒，其作用就是填補大自然的空虛。亞里士多德曾說“大自然厭惡真空”，我們就可以將以太理解為填縫劑，所有元素之間的空隙都被以太填滿了。

以太的思想影響了西方世界很長一段時間，它確實也能方便解釋很多現(xiàn)象，比如光傳遞的介質等等。可是，那這不就表示真空不存在了嗎？

到20世紀，邁克爾遜-莫雷實驗通過光的干涉證實了以太不存在，不然我們的尋找真空之旅就要畫上句號了。

在當時，古希臘還有一種當時很不起眼的理論——原子論，誰也想不到它日后能成為指導人類物質研究的主流。1803年，道爾頓在英國皇家協(xié)會上做了一場原子論的報告，他的主要觀點在現(xiàn)在看來很簡單：元素可以有很多種，那對應的原子也有很多種不就行了，每一種原子的性質決定了對應元素的性質。

這場報告標志著現(xiàn)代原子論的誕生。原子論認為不管什么元素，都是由一種小到不能再小的東西構成的，也就是說這種東西是不能再分割的，它被稱為原子（Atom，希臘語意為不可分割）。

這種尋找“最小組成單位”的思想，深深地影響了現(xiàn)代粒子物理的研究。之后又經過漫長的論戰(zhàn)和實驗，人們慢慢接受了“原子是物質最基礎的單位”這一觀點。

當時要是有人問什么是真空？那答案就是——沒有原子的地方就是真空。這種情況持續(xù)到了1897年，那年，人類發(fā)現(xiàn)了比原子更小的東西。

第二階段：打破原子，看看里面還有什么

1897年，在劍橋大學卡文迪西實驗室，剛上任的實驗室主任JJ.湯普森將目光放到了當時物理學界最熱門的儀器上——陰極射線管。

陰極射線管

（圖片來源：維基百科）

陰極射線管就是一個沒有氣體的管子——在當時人們的眼里這就算是“真空”了。在這個管子兩端接上高壓電，就會發(fā)現(xiàn)有一束射線從陰極射向陽極，并在陽極發(fā)光。這束射線到底是什么？

英國人認為這是一束帶電粒子，加上當時人們認識到的最小粒子就是原子，并根據(jù)射線在磁場下偏轉的方向判斷，應該是帶負電的原子束；德國人認為這是一種電磁波，理由真空爐體加熱就是陰極射線在磁場下偏轉，但在電場下不偏轉，如果是帶電原子，它也應該在電場下偏轉才對。況且陰極射線能輕松穿過鋁箔，如果是原子肯定會被擋住的。

就在兩幫人爭論不休之時，湯普森首先解釋了陰極射線在電場下不偏轉的問題，這是由于真空管里面的空氣沒抽干凈，里面的稀薄氣體發(fā)生導電現(xiàn)象影響了陰極射線。接下來湯普森又投身工程問題，花了大量的時間改良真空泵，終于在1897年讓人們看見了陰極射線在電場下也能發(fā)生偏轉。

支持粒子論的人剛要沾沾自喜，接下來的測算結果就讓他們大跌眼鏡：這種粒子的質量是已知最小原子——氫原子的兩千分之一。這也解釋了陰極射線能穿過鋁箔的原因，因為它太小了。由此，湯普森提出了一個大膽的假設：原子可能并不是構成物質的最小粒子。

后來人們把這種陰極射線中的粒子叫作電子，這是人類發(fā)現(xiàn)的第一個基本粒子，湯普森也因此獲得了1906年的諾貝爾物理學獎。至此，人類對物質世界最小單位的認知發(fā)生了翻天覆地的變化。

再后來，湯普森的學生，新西蘭物理學家盧瑟福通過實驗發(fā)現(xiàn)，原子中除了電子之外還有一個堅硬的核。他將其稱為“原子核”，并在1911年發(fā)布了原子的行星模型，認為電子像行星一樣圍繞著原子核旋轉。

1920年，盧瑟福又發(fā)現(xiàn)原子核當中能被撞擊出一種帶正電的粒子，將它稱為質子。同時他預言原子核中應該還有一種中性粒子。12年之后，盧瑟福的學生查德威克成為了第一個發(fā)現(xiàn)中子的人。

在當時的人們眼里，這師徒三代發(fā)現(xiàn)的電子、質子、中子就是原子結構里的三種基本粒子，也就是說它們三個是不可再分的。那么打開真空顯微鏡，聚焦到原子核與電子之間、質子和中子之間的空隙，這是不是就是真空呢？

很遺憾，在發(fā)現(xiàn)三種粒子期間發(fā)生的一起“能量失竊案”，預示著事情并沒有那么簡單。

真空探索的小插曲：能量失竊案

1896年法國物理學家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的現(xiàn)象：某種元素會自發(fā)向外放出幾種射線，這種現(xiàn)象被稱為天然放射性。前面提到的盧瑟福，就是利用天然放射性放射出的α射線轟擊金箔才發(fā)現(xiàn)的原子核，他還給幾種射線起了名字（高能電子射線叫作β射線，氦原子核射線叫作α射線）。

1914年，盧瑟福的學生查德威克發(fā)現(xiàn)某種元素的原子核發(fā)生衰變的時候，會產生一個新的原子核和β射線粒子。按理來說這就是簡單的一個衰變過程，但是它的特別之處在于，這個過程前后的能量不守恒了。

能量守恒定律示意圖

（圖片來源：topperlearning.com）

按照能量守恒定律，衰變之前原子核的能量應該等于衰變之后的新原子核能量加上β粒子的能量，但是現(xiàn)在衰變之后的能量不可思議地少了一丟丟，這就是當時轟動一時的“能量失竊案”。

此案一出，各方大佬都想解釋這個現(xiàn)象，特別是量子學派掌門人玻爾顯得異常興奮，他甚至想直接廢棄掉傳統(tǒng)的能量守恒，改換成統(tǒng)計守恒。什么意思呢？簡單來說就是經過多次測量能量是守恒的，單次測量就不一定守恒。

好在他的學生泡利比較冷靜，他覺得為了一個β衰變現(xiàn)象廢掉使用多年的能量守恒定律，沒必要啊。泡利心想：能量少了，我再假設一個看不見的粒子給它補上就行了，而且由于電荷守恒，這個粒子一定不帶電。就這樣泡利預言了一種新的粒子，后來物理學家費米給它起了個名字叫中微子。

1933年費米在泡利的基礎上更進一步，提出了“β衰變理論”，認為原子核里的質子和中子可以互相轉化，中子放出一個電子和中微子變成一個質子，質子放出一個正電子和中微子變成一個中子。至于這個正電子是啥，我們后面再解釋。

β衰變理論

（圖片來源：作者自制）

這套“β衰變理論”前后能量、電荷全部守恒，堪稱完美。但是當時的物理學家們一直不想承認這套理論，主要原因是費米和泡利預言的中微子實在是太小了，人類有沒有能力探測到它還是個未知數(shù)。

直到1956年萊茵斯和科溫才探測到中微子的影子，后來的研究還發(fā)現(xiàn)中微子不光有一種，而是三種，從而有力證實了費米和泡利的想法。現(xiàn)在關于中微子的研究還是一個剛剛起步的狀態(tài)，2015年的諾貝爾物理學獎就頒給了證明了中微子振蕩的梶田隆章和麥克唐納。

這下，粒子家族又多了一個中微子，那當我們用“真空顯微鏡”剔除掉中微子之后，我們離真正的真空還有多遠？別急，且看下回分解。

來源：科學大院