一无所有的真空如何成为了当代所有物理

真空,英文:vacuum,指没有任何物质的,即一无所有的空间。这个词来源于拉丁语vacuus,意思是“虚无”或“空虚”。真空成为了物理学中的一切的基础,因为物理学家经常讨论的是在“完美真空”条件下所出现的“理想”测试结果,将这个“完美真空”简称为“真空”,而使用术语“部分真空”来指代实际存在的“不完美真空”。

关于“真空”的认知史

历史上,关于真空这样的东西是否存在,一直存在很多争议。自古希腊时代以来,真空就是哲学辩论的命题。古希腊哲学家在原子论的背景下辩论真空或虚空的存在,原子论将虚空和原子假定为物理学的基本解释元素。

亚里士多德认为,根据定义,从字面上来说,它根本没有任何东西,不能正确地说它是存在的,他相信大自然不会存在真空,因为周围更密集的物质连续体会立即填充任何可能导致有空隙的初始稀有物质。在他的《物理学》第四册中,亚里士多德提出了许多反对虚无真空的论据。毫无特征的虚空的抽象概念面临着相当大的怀疑:它无法被感官理解,它本身无法提供超出与它相称的物理体积的额外解释力。

在亚里士多德之后将近两千年,笛卡尔将先前独立的代数领域和几何空间联系起来。尽管笛卡尔仍然认为,自然界中不存在真空,但他的坐标系统的成功更隐晦地承认形而上学的真空空间,即把哲学上的空间概念扩展为一个可量化的真空体积空间。

直到17世纪才对真空开始了进行实证研究,首次尝试量化部分真空的测量。以发明气压计而闻名的意大利物理学兼数学家、埃万杰利斯塔·托里拆利制造了第一个实验室真空,其他实验技术也因他的大气压理论而发展起来。通过在一端封闭的高玻璃容器中填充汞,然后将其倒置在碗中以容纳汞,可以产生托里拆利真空。

年,奥托·冯·格里克发明了第一台真空泵并进行了他著名的马格德堡半球实验,结果表明,由于半球外的大气压力,马队无法将空气已部分抽空的两个半球分开。此后,对部分真空的研究一直持续到年德国发明家盖斯勒发明汞柱塞泵,实现了约10帕(0.1托)的部分真空。在这个真空水平上可以观察到许多电学特性,这重新引起了人们对真空进一步研究的兴趣。

后来,年,狄拉克提出了一个真空模型,它是无限的具有负能量的粒子海,称为狄拉克海。这一理论帮助改进了他早期提出的狄拉克方程的预测,并成功地预测了正电子的存在,并在两年后得到证实。海森堡于年提出的不确定性原理预测了一个基本极限,在该极限内可以测量瞬时位置和动量,或能量和时间。这对粒子之间的“空虚”空间产生了深远的影响。20世纪后期,所谓的虚粒子从虚空中自发产生的现象得到证实。

真空在20世纪成为一种相当有价值的工业工具,各种真空技术相继面世。真空用于各种工艺和设备。它的第一个广泛用途是在白炽灯泡中,以保护灯丝免受化学降解。真空产生的化学惰性也可用于电子束焊接、冷焊、真空包装和真空油炸。

超高真空用于原子级清洁基板的研究,因为只有非常好的真空才能在相当长的时间内保持原子级清洁表面。高至超高真空消除了空气的阻碍,使粒子束能够在不污染的情况下沉积或去除材料。这是化学气相沉积、物理气相沉积、干法蚀刻,、对半导体和光学涂层的制造等背后的原理。

深真空降低了液体的沸点,促进了低温脱气,用于冷冻干燥、粘合剂制备、蒸馏、冶金和工艺净化等。真空的电学特性造就了电子显微镜和可能的真空管,包括阴极射线管。真空断路器用于电气开关设备。真空电弧工艺对于生产高等级钢结构或高纯度材料在工业上很重要。当代载人航天的发展引起了


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