地球上是真空还有吸引力吗（真空真的是空无一物吗）

​审核专家：吴宝俊

理论物理博士

在日常生活中，我们经常听到“真空”这一词。如开水瓶通过两层玻璃壁之间的真空环境对内部进行保温；在宇宙的真空环境中，宇航员必须穿上宇航服才能安全地进入外太空……

如上图，我们用塑料袋包裹住食品，抽成真空进行保存，可以减少熟食、肉类与空气的接触，从而延长食品的保质期。

那么，真空真的是什么都没有吗？人们为了获得真空条件又进行了哪些探索呢？

什么是真空？

从字面上讲，真空就是一种虚空的状态，即什么都没有的空间。

然而，现实中并不存在绝对的真空。通常认为，空气压强低于标准大气压值时，就达到了真空。人们还引入了真空度的概念来描述真空的程度，而压强正是衡量真空度的标准。

最早的有记载的真空科学实验可以追溯到1643年的托里拆利实验。意大利科学家托里拆利首先将1m长的装满水银的玻璃管倒插进入水银槽内，一段时间后，水银柱高度下降到760mm，玻璃管上方即形成了一段长度为240mm的真空环境。

托里拆利实验首次向我们展示了真空的实验室获得方法，并且定量地给出了一个大气压（1 atm=1.013×10^5Pa）所能支撑的最大水银柱高度为760mm。

真空等同于“空无一物”吗？

然而，真空真的像我们肉眼所见的那样空无一物吗？日常中我们所见的真空环境到底有多“空”？

我们通常所说的真空包装只是用塑料膜将食品包裹住，再将其中的空气抽出。这样做能达到的真空度并不高，空气中的许多成分是无法被抽干净的。

即使是用工业级的真空机抽提气体，在每立方厘米的空间里仍然会留下数亿个原子。

我们认为最自然的真空环境是外太空，在那里空气含量极低。数据显示，月球表面的真空度在10^-10至10^-12Pa之间，属于极高真空度范围。不过，即使是这样稀薄的空气，每立方厘米的月球表面的空间中仍然存在着100个氢分子。

我们假设将这部分原子和分子去掉，外太空就能称得上完美的真空环境了吗？

并不是，即使除去这部分分子和原子，宇宙中还充斥着大量的辐射，来自宇宙中的辐射每时每刻都在照射或穿透着我们的身体。

因此，即使真空度无限接近于零的外太空，也绝对不是“空无一物”的，我们能做的只是尽可能地降低系统中空气的含量，使其更加接近真空状态。

那么，假想外太空有一个能屏蔽所有辐射的容器，并且里面没有一个原子，它能实现绝对的真空吗？

很可惜依然不能，由于量子涨落的存在，这个容器内依然不可能是完全的空无一物的。

马德堡半球实验

真空在我们的生产生活中有着极为广泛的应用，低真空获得的压力差可以用来提升、运输物料，吸尘和过滤；中真空可以在活跃金属的冶炼过程中用来隔绝空气；而高真空为芯片制造、加速器运行、质谱仪分析等提供合适的环境。从低真空到高真空，离不开人们对于真空技术的探索。

早在1602年，德国人便开始利用水泵和空气泵获得真空，真空度可达到33Pa。1650年，德国的奥托·冯·格里克制成了第一个活塞式真空泵，并用它进行了著名的马德堡半球实验。

1654年，马德堡市郊的广场上格里克正准备进行一场大型试验，围观的人群熙熙攘攘，热闹非凡，格里克和助手用自制的活塞式真空泵将两个直径约为35.5cm的紧密贴合在一起的铜半球抽成真空，找来马夫分别赶着左右两边各4匹马来扯着铜球。

在格里克的一声令下，4个马夫扬鞭催马，背道而拉。在人们“加油”、“加油”的呐喊声中，马匹却无论怎样都无法将铜半球拉开。

格里克又在两边各增加了人马，8个马夫，16匹马再次卯足了劲儿拉，只听“啪”的一声巨响，16匹马终于将铜半球拉开。

马德堡半球实验使世人们终于相信了真空的存在，证明了由于铜球内的空气粒子数量锐减，球外的大气压强会对半球产生极大的作用力。马德堡半球实验成功以后，世界上越来越多的科学家们开始了对真空技术的探索之旅。

探索真空——真空泵的发展

1855年，德国的吹玻璃工人盖斯勒根据托里拆利试验原理制成了回转水银真空泵。这种真空泵利用水银，反复抽走容器内的空气，每次抽取都会使容器内的压强降低一些，如此往复，一步步形成真空环境。

回转水银真空泵能使密闭容器内的真空度达到13Pa。此后，托普勒泵，斯普伦格泵在盖斯勒回转水银真空泵的基础上又进行了改进。

20世纪初期，各种类型的油封机械真空泵陆续出现，它利用油来保持内部部件之间的密封，依靠泵腔容积的变化将空气不断地排出。

油封机械真空泵按照结构形式可以分为定片式、旋片式、滑阀式、余摆线式。一般的油封真空泵可实现1.3Pa的真空度，一些双级的旋片的泵可实现0.1Pa的真空度。

>>>>定片式机械真空泵

1911年，德国人盖德率先发明了分子真空泵，与油封式机械泵不同的是，盖德德分子真空泵并不依靠泵腔容积的变化进行抽气，而是通过高速运动的刚体表面向气体分子传递动力，促使气体分子定向流动，达到抽气的目的。

分子真空泵相较于油封机械真空泵具有一定的优势，理论上能达到的真空度更高。但在实际操作过程中，分子真空泵也存在抽速小、密封性差、易出现机械故障等缺点，因而在分子泵出现的早期，并没有得到广泛的应用。

>>>>分子真空泵

1913年，盖德又研制出了扩散泵，这是一种借助水银蒸气流的定向扩散作用来产生高真空的装置，可以获得10^-9Pa甚至更极致的真空度。

扩散泵因其设计简单、价格低廉、能产生高真空度的优点，在活泼金属冶炼、塑料的装饰镀膜、微电子器件制造等方面有着广泛的应用。

事实上，人们对于扩散泵的优化和改造从未中断。1916年，朗格缪尔（Langmuir）发明了凝结泵，使泵蒸汽流的扩散方向与被抽气体分子扩散方向一致，弥补了扩散泵抽速低的缺陷。

1928年，伯奇（C. R. Burch）在扩散泵上开始使用油作为工作介质。

1935年，希克曼（K.C.D.Hickman）申请了分馏式油扩散泵的专利，进一步提高了扩散泵的抽速与极限真空度（10^-2至10^-5Pa）。

时至今日，一系列的改造使扩散泵已经成为目前获得高真空最广泛、最主要的工具之一。

①②③④表示气体被压缩抽走的过程

（1.蒸汽流 2.蒸汽流导管 3.气相加热器 4.水管 5.前置挡油板 6.分馏槽 7.加热器 8.接机械泵 9.接被抽容器 10.气体 11.鼓形泵壳 12.泵液）

上图即为油扩散泵的运行原理图。扩散泵喷口中喷出的高速气流，在分子流条件下，气体分子不断向蒸汽流中扩散，被蒸汽流带到泵出口处，然后逐级被压缩，由此获得真空。

1948年，大量的尖端技术开始涌现，人们不再满足于高真空状态。离子泵的出现使人们能够获得超高真空（10^-5至10^-10Pa）。

1950年左右，吸气材料被广泛应用于真空获得，Ti升华泵的发明使真空获得技术开始由宏观转向微观尺度。

1970年左右，分子抽气泵得到了进一步的改进，发展成为涡轮分子泵，可以代替扩散泵获得高真空、超高真空。

人们对于真空的探索是一个从表观到本质，从简单到复杂，从宏观到微观的过程。几百年来，真空技术的发展离不开历代科学家们“上下求索”的科学研究精神，而未来真空技术新的发展也等待着你我的探索与创造。

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