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大多数人第一次看到真空的概念，可能是在初中物理课堂，在学到的关于大气压的内容时候，课本上通过展示“马德堡半球”实验来证实大气压的存在，半球内处于真空状态，由于真空内不存在气体，无法与大气压平衡，因此大气压会紧紧的压住半球。那个时候我们也认为，真空内部是不存在任何气体分子和原子的，也就是说真空是空无一物。  马德堡半球实验 为什么原来认为声音无法在真空中传播在物理课堂上，当我们学到声音的传播这一节时，课本上的内容有着类似的描述：由于声音的传播需要介质，真空中由于不存在介质，因此声音无法在真空中传播。 事实上声音产生的本质是振动，而声音的传播也就是振动的传播，由于物体的振动会不断地撞击两侧气体分子，被撞击后的气体又会作用于旁边的气体分子，于是这种振动便从物体中开始传播开来，这种分子的不断振动也可以称之为机械振动，机械振动本质上是物体的运动，由于我们认为真空中不存在任何物质，那么真空无法传播声音的逻辑也就合情合理。  声音传播的本质是分子振动的传播 并且可能很多人在课堂上看过这个实验，将一个闹钟放入真空罩中，通过利用真空泵将内部的气体抽出，在气体被抽出的过程中，闹钟产生的铃声也在开始逐渐减小，这个实验也常被用来证明真空中无法传递声音的规律。那么真空中真的就是空无一物吗？从前人类也一直是这么认为，直至后来发展了量子力学理论后，才发现，人类才发现，真空的概念并没有那么简单。 真空不空量子力学认为，一个物体的位置和速度不可能同时测准，也就是说物体不可能完全静止下来（否则速度精确为零）。这也就意味着，即使处在最低能量的状态，能量也不可能为零。  对于电磁波也是一样，量子场论指出，即使一个空间中没有任何原子、没有光，但其中仍然存在一些量子场的波动，也被称为量子涨落。  真空中的量子涨落，虚粒子不断的产生与湮灭 真空中虽然看起来没有任何的实粒子（电子以上（中子，质子，原子，离子，分子）都可以认为是实物粒子），由于量子涨落，却存在着大量的“虚粒子”，这些“虚粒子”会以正反粒子的形式出现，一个正的虚粒子出现，同时会产生一个反的虚粒子（吸收的能量相当于从真空中借了一部分能量），但产生之后，它们又会以极短的时间相互湮灭（释放出能量，与之前需要的能量守恒），实际上这些虚粒子会不断瞬间出现、消失，只是在我们看来，似乎什么都没有，真空并不是我们曾经所理解的空无一物。  真空中的卡西米尔效应那么人们是如何通过实验证明上述理论的呢？这就要谈到1948年荷兰物理学家卡西米尔提出的一个物理现象——卡西米尔效应。 卡西米尔通过他的理论计算预测到，在真空中，如果将两块金属板进行平行放置，并且将它们的距离缩小至纳米尺度时，由于量子场波动的存在，两块金属板会受到外侧的压力从而相互吸引、靠近。  卡西米尔效应 之所以会产生这种现象，同样是由于量子涨落引起的，真空中虽然并不包含“实物粒子”，但其中充满着各种场，电磁场也是其中之一，电磁场的涨落会则会产生光子。在正常情况下，电磁场产生的涨落会相互抵消，也就观测不到什么现象。当两块巨大的平行金属板近距离放置时，由于金属板之间的空间相比于两侧会小得多，量子场的涨落导致金属板之间产生的虚粒子数也相对会更少，而由于两侧会受到更多粒子的撞击，于是在宏观上表现出金属板受到两侧的挤压力。  虚粒子的撞击对平行金属板产生压力 当时卡西米尔只是通过理论计算预测了这个现象，但在十年后，他的预言在实验中得到了证实。 声音如何在真空中传播在前面讲到过，声音的传播实际上是分子振动的传递，而热的本质实际上就是分子的振动，因此如果能够证明分子的热运动能够通过真空传递（非热辐射），那么便能够证明声音也能够在真空中传播，而在2019年国际顶级期刊《Nature》上就有研究团队做了相关报道。  《Nature》期刊相关研究论文  该团队使用了一个非常精密的仪器，对两块纳米薄膜之间的热量传递进行了检测。传统的理论一直认为，在真空中，热量只能通过辐射的形式传递，而不是通过声子进行传递。然而该项研究发现，电磁场的量子涨落可以诱导声子在真空中耦合（同样与卡西米尔效应有关），从而促进热传递。他们在进行实验的整个过程中，发现热辐射传递仅占整个热量变化的4%不到，因此在这个过程中，起绝对性的传热机制是真空中声子传热。  该研究团队的实验设备 热量的实质与声音其实是一样的，都是分子或原子的振动，同样的，在真空状态下，当一个物体振动时，该振动产生的能量会与两个物体之间的能量场发生交互，从而引起另一个物体发生振动，这也是声音的卡西米尔效应，所以声音同样也可以通过真空传播。只是由于该效应在尺度非常小时，更容易发生作用，所以一直未被人们所发现。 总结真空其实并不是空无一物，它不仅能够传递热量（非热辐射），而且也能够传播声音。不仅于此，还有众多的物理现象都与真空中的量子效应息息相关，它还能够解释黑洞为什么会产生辐射，黑洞并不是我们曾经认为的“只进不出”。人类目前对于微观世界的了解还并不全面，随着人类的不断探索，越来越多曾经错误的认知也将会被逐渐修正。 |
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