真空里有什么？这是一部粒子物理发展史（上）
2022/6/7 7:00:00 科学大院
“真空”，按照字面意思理解就是“真的空”，即完全空无一物的空间。既然如此，我们为什么会提出“真空里有什么”这样自相矛盾的问题？
这是因为在过去，人类认为只要剔除掉空气中的杂质，真空便形成了。但随着我们对物质认知的提升，之前那些被认为是“真空”的空间就像是魔术师的帽子一样，总能蹦出几只“兔子”来。
真空魔术师
(图片来源：作者自制)
科幻电影里有一种“真空显微镜”，它可以聚焦到各种物质微粒之间的空隙——也就是“真空”上。今天，就让我们拿起“真空显微镜”，一起回顾人类对物质的研究过程，并来试着回答“真空里有什么”这个问题吧。
第一阶段：元素论与原子论的纷争
古时的很多哲学家都提出过“基本元素”的概念，亚里士多德的老师柏拉图将其总结为四种：火、地、风、水，也就是说世间万物都是由这四种元素构成。这便是“元素说”，有点类似于我国古代的“五行学说”。
五行
(图片来源：维基百科)
亚里士多德在老师柏拉图的基础上又添了一种元素——以太，以太意为精质和永恒，其作用就是填补大自然的空虚。亚里士多德曾说“大自然厌恶真空”，我们就可以将以太理解为填缝剂，所有元素之间的空隙都被以太填满了。
以太的思想影响了西方世界很长一段时间，它确实也能方便解释很多现象，比如光传递的介质等等。可是，那这不就表示真空不存在了吗？
到20世纪，迈克尔逊-莫雷实验通过光的干涉证实了以太不存在，不然我们的寻找真空之旅就要画上句号了。
在当时，古希腊还有一种当时很不起眼的理论——原子论，谁也想不到它日后能成为指导人类物质研究的主流。1803年，道尔顿在英国皇家协会上做了一场原子论的报告，他的主要观点在现在看来很简单：元素可以有很多种，那对应的原子也有很多种不就行了，每一种原子的性质决定了对应元素的性质。
这场报告标志着现代原子论的诞生。原子论认为不管什么元素，都是由一种小到不能再小的东西构成的，也就是说这种东西是不能再分割的，它被称为原子(Atom，希腊语意为不可分割)。
这种寻找“最小组成单位”的思想，深深地影响了现代粒子物理的研究。之后又经过漫长的论战和实验，人们慢慢接受了“原子是物质最基础的单位”这一观点。
当时要是有人问什么是真空？那答案就是——没有原子的地方就是真空。这种情况持续到了1897年，那年，人类发现了比原子更小的东西。
第二阶段：打破原子，看看里面还有什么
1897年，在剑桥大学卡文迪西实验室，刚上任的实验室主任JJ.汤普森将目光放到了当时物理学界最热门的仪器上——阴极射线管。
阴极射线管
(图片来源：维基百科)
阴极射线管就是一个没有气体的管子——在当时人们的眼里这就算是“真空”了。在这个管子两端接上高压电，就会发现有一束射线从阴极射向阳极，并在阳极发光。这束射线到底是什么？
英国人认为这是一束带电粒子，加上当时人们认识到的最小粒子就是原子，并根据射线在磁场下偏转的方向判断，应该是带负电的原子束；德国人认为这是一种电磁波，理由就是阴极射线在磁场下偏转，但在电场下不偏转，如果是带电原子，它也应该在电场下偏转才对。况且阴极射线能轻松穿过铝箔，如果是原子肯定会被挡住的。
就在两帮人争论不休之时，汤普森首先解释了阴极射线在电场下不偏转的问题，这是由于真空管里面的空气没抽干净，里面的稀薄气体发生导电现象影响了阴极射线。接下来汤普森又投身工程问题，花了大量的时间改良真空泵，终于在1897年让人们看见了阴极射线在电场下也能发生偏转。
支持粒子论的人刚要沾沾自喜，接下来的测算结果就让他们大跌眼镜：这种粒子的质量是已知最小原子——氢原子的两千分之一。这也解释了阴极射线能穿过铝箔的原因，因为它太小了。由此，汤普森提出了一个大胆的假设：原子可能并不是构成物质的最小粒子。
后来人们把这种阴极射线中的粒子叫作电子，这是人类发现的第一个基本粒子，汤普森也因此获得了1906年的诺贝尔物理学奖。至此，人类对物质世界最小单位的认知发生了翻天覆地的变化。
再后来，汤普森的学生，新西兰物理学家卢瑟福通过实验发现，原子中除了电子之外还有一个坚硬的核。他将其称为“原子核”，并在1911年发布了原子的行星模型，认为电子像行星一样围绕着原子核旋转。
卢瑟福模型
(图片来源：维基百科)
1920年，卢瑟福又发现原子核当中能被撞击出一种带正电的粒子，将它称为质子。同时他预言原子核中应该还有一种中性粒子。12年之后，卢瑟福的学生查德威克成为了第一个发现中子的人。
在当时的人们眼里，这师徒三代发现的电子、质子、中子就是原子结构里的三种基本粒子，也就是说它们三个是不可再分的。那么打开真空显微镜，聚焦到原子核与电子之间、质子和中子之间的空隙，这是不是就是真空呢？
很遗憾，在发现三种粒子期间发生的一起“能量失窃案”，预示着事情并没有那么简单。
真空探索的小插曲：能量失窃案
1896年法国物理学家贝克勒尔发现了一种奇怪的现象：某种元素会自发向外放出几种射线，这种现象被称为天然放射性。前面提到的卢瑟福，就是利用天然放射性放射出的α射线轰击金箔才发现的原子核，他还给几种射线起了名字(高能电子射线叫作β射线，氦原子核射线叫作α射线)。
1914年，卢瑟福的学生查德威克发现某种元素的原子核发生衰变的时候，会产生一个新的原子核和β射线粒子。按理来说这就是简单的一个衰变过程，但是它的特别之处在于，这个过程前后的能量不守恒了。
能量守恒定律示意图
(图片来源：topperlearning.com)
按照能量守恒定律，衰变之前原子核的能量应该等于衰变之后的新原子核能量加上β粒子的能量，但是现在衰变之后的能量不可思议地少了一丢丢，这就是当时轰动一时的“能量失窃案”。
此案一出，各方大佬都想解释这个现象，特别是量子学派掌门人玻尔显得异常兴奋，他甚至想直接废弃掉传统的能量守恒，改换成统计守恒。什么意思呢？简单来说就是经过多次测量能量是守恒的，单次测量就不一定守恒。
好在他的学生泡利比较冷静，他觉得为了一个β衰变现象废掉使用多年的能量守恒定律，没必要啊。泡利心想：能量少了，我再假设一个看不见的粒子给它补上就行了，而且由于电荷守恒，这个粒子一定不带电。就这样泡利预言了一种新的粒子，后来物理学家费米给它起了个名字叫中微子。
1933年费米在泡利的基础上更进一步，提出了“β衰变理论”，认为原子核里的质子和中子可以互相转化，中子放出一个电子和中微子变成一个质子，质子放出一个正电子和中微子变成一个中子。至于这个正电子是啥，我们后面再解释。
β衰变理论
(图片来源：作者自制)
这套“β衰变理论”前后能量、电荷全部守恒，堪称完美。但是当时的物理学家们一直不想承认这套理论，主要原因是费米和泡利预言的中微子实在是太小了，人类有没有能力探测到它还是个未知数。
直到1956年莱茵斯和科温才探测到中微子的影子，后来的研究还发现中微子不光有一种，而是三种，从而有力证实了费米和泡利的想法。现在关于中微子的研究还是一个刚刚起步的状态，2015年的诺贝尔物理学奖就颁给了证明了中微子振荡的梶田隆章和麦克唐纳。
这下，粒子家族又多了一个中微子，那当我们用“真空显微镜”剔除掉中微子之后，我们离真正的真空还有多远？别急，且看下回分解。
参考文献:
[1] Griffiths D . Introduction to Elementary Particles[J]. Academic Press, 2008.
[2]郭奕玲, 沈慧君. 物理学史 (第二版)[M]. 清华大学出版社, 2005.
[3]涂涛,郭光灿.真空不空[J].物理,2018,47(09):549-556.
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