前几天有人问我这个问题:既然真空里什么都没有，那应该是绝对零度吧光真空会产生高温吗

在回答这个问题之前，你得先搞清楚什么是真空。

01.真空里有魔鬼吗。

真空的本义是没有物质的空间真空这个词来自拉丁语形容词vacuus，看起来也挺形象的:字母U就像一个容器，两个U连在一起，强调空对了，英语中两个连续U的单词屈指可数，可见其特殊性

古希腊的亚里士多德曾提出真空不可能存在在中世纪，人们提出了一个思想实验:当两个板块快速分离时，它们之间应该有一个真空——哪怕只是一瞬间在14世纪，Jambry Dan证明了当风箱的另一端完全密封时，十匹马无法一起拉动风箱杆

有哲学家提出，自然界极度厌恶真空，所以不允许真空出现即使是瞬间产生的，物质也会立刻填满这些空间这种观点被称为恐怖真空甚至有人提出，即使上帝愿意，他也不能创造一个真空

一个类似的思想是，人们认为任何空虚都必然导致上帝的对手撒旦的出现为了避免这种情况，全能的上帝会立即填补空虚所以即使洞出现了，也不可能存在

其实这是全世界的共识:真空是恐怖的，我们要尽量避免上帝也在帮助我们，所以真空一般都是短暂的比如世界各民族的人都害怕空房子因为房屋长期无人居住，会有鬼来定居，所以被称为鬼屋

对了，我相信科学不怕鬼，所以有好的鬼屋如果你不想要它们，你可以送我像下面这种我肯定能接受

其实这个说法也解释了另一个物理问题:为什么可以用吸管喝水我们今天都知道，这是因为大气压力把水推进了我们的嘴里但当时人们还不知道大气压力，以为上帝讨厌真空，就马上送水来淹没已经吸了空气的管道，顺便把水送到我们的嘴里

虽然上面的想法看起来很荒谬，但确实解释了很多与长期抽油井相关的问题所以要用历史的眼光看待那些过时的理论

实际上，物理学中的那些假设也是如此你根本不知道它们为什么是真的，但只要你先接受它们，你就会有一套理论来描述和预测物理现象否则你会被卡住，除非你有能力发明另一种新理论即使将来某个假设真的被推翻了，也是正常的，因为物理只是以实验为准

2.真空的研究与利用

1654年，德国马德堡市长奥托·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，马团队无法用部分抽空的空气将两个半球分开

随后，罗伯特·波义耳改进了格里克的设计，并在胡克的帮助下进一步发展了真空泵技术此后，关于部分真空的研究一直持续到1850年，奥古斯特·托普勒发明了托普勒泵，海因里希·盖斯勒于1855年发明了水银排水泵，实现了气压约为10Pa的真空

正是在这种真空水平下，许多电学性质变得可观测，这再次引起了人们进一步研究的兴趣，因此真空的研究极大地促进了电磁学的发展后来，人们发现各种研究和应用越来越离不开真空，对真空的研究吸引了越来越多人的兴趣

真空最初广泛用于白炽灯泡，以保护灯丝免受化学降解真空产生的化学惰性也适用于电子束焊接，冷焊，真空包装和真空油炸

现代超高真空技术被广泛应用于原子清洗衬底的研究，因为只有非常好的真空才能长时间保持原子清洗表面超高真空可以完全消除空气屏障，允许粒子束沉积或无污染地去除材料这是化学气相沉积，物理气相沉积和干法蚀刻背后的原理，它们对于半导体和光学涂层以及表面科学的制造至关重要

因为真空中对流大大减少，为保温瓶提供了保温效果真空能有效降低液体的沸点，促进低温除气，用于冷冻干燥，粘合剂制备，蒸馏，冶金和工艺吹扫

真空的电学特性使电子显微镜和真空管，包括阴极射线管成为可能真空灭弧室常用于电气开关设备中，真空电弧工艺对于某些钢种或高纯度材料的生产具有重要的工业意义真空消除空气摩擦有助于减少飞轮储能和超速离心机运行时的损耗

03.部分真空和完全真空

现在大多数情况下，我们说真空是指气压远低于标准大气压的空间言外之意是，只要空间只包含极稀薄的气体，我们就可以称之为真空当然，如果你是一个非常严格的人，你可以称之为局部真空但我怕别人觉得这是画蛇添足

而你头脑中那种完全空无一物的真空被称为完全真空或自由空间，意思是:

空间中不存在具有能量和动量的粒子，即排除任何物质粒子和场粒子的空间，广义相对论下爱因斯坦张量的所有分量为零。

显然，这种完全没有粒子的理想状态是无法在实验室中实现的，尽管在非常小的体积内，短时间内可能恰好没有物质粒子即使去掉所有的物质粒子，仍然会有无数的光子和中微子，还有暗能量，虚粒子，真空涨落等其他影响

所以你应该明白为什么我们对真空的要求大大降低了！

实践表明，真正的空无空间目前是不具备的，在实践中也是不存在的但是真空这个词已经被广泛使用，如果真的是假的，那就涉及太多了所以这个一直用到了现在

换句话说，所谓的真空其实就是一个妥妥的假货！但人们还是刻意将其描述为真空，这与科学的严谨性无关纯属历史原因，并非此地无银三百两的谎言

现实中，真空中或多或少含有气体分子，但与大气相比，单位体积真空中所含的气体分子数量要小得多，甚至可以完全忽略不计从这个意义上说，真空不是一个确定的状态，而是一个相对的意义

04.真空主要靠抽。

你可能不理解，但是把容器里的气体全部清除是如此的困难。

真的没有你想的那么简单想一想，有什么有效的方法可以去除那些空气分子

几千年来，人们想了很多方法，比如，把一个封闭的空间扩大，然后，让某种气体充满一个封闭的空腔，然后通过化学反应变成固体。

但是，真正有效的方法是更简单粗暴地抽空气——当然是通过各种精密真空泵的组合来实现的之所以说看起来更简单，是因为这种方法虽然最容易想到，看起来也很简单，但其实一点都不简单

为了获得超高真空，除了所用真空泵的技术指标外，对密封元件的选择，腔体的几何形状，材料与真空泵的组合以及工作程序等都有严格的要求相关技术统称为真空技术

实践表明，无论你使用多么巧妙的真空技术，总会有一些微量气体或其他物质分子留在容器中当然，这其中有各种各样的原因除了漏气之外，比如还有容器内壁漏气的问题，因为任何物质在所处空间的气压低到一定程度时都会放出气体，一般是物质的分子

古希腊哲学家亚里士多德在这方面有先见之明他曾经说过，太空中不会有洞，因为即使有，也会被周围密度更大的物质自动填满其实这就是物理学中的扩散现象——只要空间中的粒子密度不均匀，热运动就会使物质从密度高的地方转移到密度低的地方

想想看，用来装真空的容器本身也是由粒子构成的，所以这些粒子自然无法避免扩散的问题因此，即使空间中真的存在一个没有物质的区域，其周围的物质也总是弱瘪的——向空间中扩散物质，因此也很难保存真空

所以，无论你怎么努力去真空一个封闭的空间，它的内部必然会出现越来越多的物质粒子，因为它本身就被物质包裹着。

05.真空度和真空度

真空度称为真空度一般来说，真空度主要由压力来表征

低真空，压力在100Pa以下，普通钢和真空泵均可获得，

真空，压力在100—0.1 pa之间，一般用不锈钢和真空泵获得，

Pa，可通过不锈钢，弹性体密封，高真空泵实现，

Pa，可通过低碳不锈钢，金属密封件，特殊表面处理和清洗，烘烤和高真空泵实现，

Pa可以通过真空烧结低碳不锈钢，金属密封件，特殊的表面处理和清洗，烘烤和额外的吸气泵来实现。

完整的真空表征需要更多的参数，例如温度和化学成分最重要的参数之一是残余气体的平均自由程，它表示分子在两次连续碰撞之间移动的平均距离大气压下的MFP很短，为70纳米伴随着气体密度的降低，MFP增大，100mPa室温下的MFP约为100mm

当MFP值大于腔体，泵，航天器或其他容器的尺寸时，意味着气体分子在容器内运动时，几乎只与容器壁发生碰撞，分子间的相互作用可以完全忽略流体力学的连续性假设不适用这种真空状态称为高真空，对这种状态下流体流动的研究称为粒子气体动力学

Pa，所以月球上面有一个非常高的真空。但即使真空度如此之高，每立方厘米的空间仍然包含数十万个气体分子，但其MFP却高达数万公里！

，这里光子的平均自由程高达100亿光年！真是难以置信！这可能是目前自然界中最接近完美真空的真空。

在星际空间中，由于远离一切物质，几乎没有任何作用力作用于其上，任何位于此处的物体几乎都是绝对自由的，所以称之为自由空间也是非常恰当的基于该空间中运动物体的参考系可视为理想惯性系

06.高真空应用的例子

克鲁克斯辐射计工作在高真空区，通常用于测量电磁辐射通量它的主体是一个玻璃泡，用一组可旋转的叶片抽成高真空当叶片受到光照时，叶片附近的气体分子吸收光线，与叶片碰撞产生压力由于叶片两侧的光吸收率不同，压力差导致叶片旋转转速越快，光线越强，从而提供电磁辐射强度的定量测量

这里的一个问题是，为什么辐射计里有高真空因为更高的气压会导致更大的空气阻力，只有在空气极其稀薄的情况下，叶片两侧的温差造成的压力差才能超过空气阻力，使叶片旋转

另一个问题是，玻璃泡的真空度是不是越高越好不要！如果玻璃泡中的空气太稀薄，分子与叶片碰撞产生的压力太小，叶片无法旋转，那么空气密度必须在一个合适的范围内，也就是高真空区

7.完全真空的本质

这些都是传统的真空的东西但真空的内涵远不止这些

可能你对下面的部分不太了解没关系不知道的话很正常

自20世纪30年代以来，伴随着量子理论的发展，人们意识到即使是完美的真空也不总是空的。

最重要的理论是1930年狄拉克提出的狄拉克海真空模型他认为，完美的真空实际上是由无限数量的负能量电子填充的如果向真空中注入高能伽马射线，就有可能从中击中一个电子，在真空中留下一个洞这个洞是一个正电子果然，两年后安德森发现了正电子

二是所谓的真空涨落理论，伴随着兰姆位移和反常磁矩的发现而得到证实根据量子电动力学，电子之间的碰撞可以通过交换虚光子来实现，虚光子可以产生正负电子对因此，真空可以看作是一个充满虚光子和虚电子对的海洋根据海森堡的测不准原理，真空内部并不平静，但巨大的能量可以在短时间内涌现出来所以真空可以在极短的时间内产生大量的粒子，然后瞬间消失

此外，规范场论下真空的对称性被自发打破，赋予了希格斯粒子以质量，这为物理学中的一个根本问题——质量的起源提供了一个解决方案量子色动力学中的夸克禁闭理论指出，真空是夸克物质的凝聚相

后来人们也从量子信息的角度发现了真空更丰富的内涵，涉及到量子比特，量子纠缠等问题，这里就不说了。

因此，完美的真空不是空的。如果空房子里没有鬼，那么真空里除了鬼什么也没有！

08.真空的温度是多少。

最后看一下本文开头给出的问题:

既然真空里什么都没有，那就应该是绝对零度吧真空会产生高温吗

要回答这个问题，首先要搞清楚这里的真空是什么意思它是一个完美的真空吗还是宇宙中的星际空间还是不同真空度的吸尘器都是实验室做的

如果是完全真空，那么什么都没有，那怎么会有热运动随机的粒子呢。温度自然无法定义，所以不是说它的温度是绝对零度，而是温度根本不存在！

如果指的是星际空间，每立方厘米只有那么几个粒子，就达不到热力学的要求——大量粒子随机热运动组成的系统，所以还是无法定义温度。

等一下！宇宙的背景温度是2.725K K，这是怎么回事。

嗯，差点忘了，宇宙的星际空间里还有光子和中微子。都会产生背景辐射，导致温度！

对于光子部分，我们得从普朗克的黑体辐射公式说起。

任何有温度的物体都会以电磁波的形式向外辐射电磁波，称为热辐射辐射强度与波长的关系曲线随不同的温度而变化温度越高，峰值波长越短，如下图所示这是普朗克公式的结果

现代宇宙学研究表明，宇宙中存在一种各向同性的辐射，称为宇宙微波背景辐射，是大爆炸理论最有力的证据之一以前没信号的时候，老电视机显示的是如下图这就是中巴的样子

宇宙背景辐射的强度和波长的曲线如下图所示，正好相当于2.725K的黑体辐射曲线，所以宇宙背景辐射对应的温度是2.725k。

另一方面，只要光子能量与温度有关，我们也可以得到这个温度值。根据普朗克公式，温度与曲线峰值处的波长成反比，这也被称为维恩位移定律，即:

是普朗克常数据此，我们总可以将辐射峰值对应光子的频率与温度对应起来，代入上图的数据中——峰值频率为160.23GHz，得到的值差不多是2.725K——我曾手工计算过你为什么不试试呢

下图是NASA一个名为WMAP的探测器历时9年绘制的宇宙微波背景辐射全天图它表明宇宙的平均温度非常均匀，只有某些部分有轻微的温度波动所以可以认为宇宙平均温度差不多是2.725K

对于中微子来说，它还会引起一种叫做宇宙中微子背景辐射的辐射但是那种辐射对应的温度的成因和光子不同，它的平均值是1.95K因为中微子根本不与光子相互作用，这两个温度之间没有平衡

所以星际空间有两个独立的温度。

如果是一般的实验室真空，真空内外有很多物质，真空只是一个被物质包围的空腔这些物质当然可以发出热辐射，也就是光子根据黑体辐射定律，充满这些光子的空间也必然具有温度，具体温度由真空容器的温度决定如果你再往这个空间里射光，当然会导致它的温度升高

所以，只要是人工真空，就不能离开热辐射，因为不能离开容器基本就是这样！所以容器中的真空，无论它的真空度有多高，即使物质粒子达到星际空间的水平，也必须有温度，因为容器壁会发出光子

但如果用低温技术将真空容器冷却到接近绝对零度，低于宇宙微波背景辐射的温度，那么腔内的光子就会全部被容器壁吸收腔内没有光子此时，空腔可视为一个没有热辐射的空间

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