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1654年托里拆利马德堡半球实验引出真空的概念
2022-08-02

真空是物理学里面的一个概念,最开始反映的是空无一物的状态,类似于“无”。20世纪P.A.M.狄拉克提出了所谓量子真空的概念,即真空并不是空无一物而是时刻有虚粒子与实物粒子转化的,但整体是对外不显物理属性的宏观总体。真空是能量海,是一个不断振荡的充满着巨大能量的客观存在;而空间只是数学上的一个概念,是反映的是运动的属性和几何大小的概念。

也就是说,空间和真空一个是数学概念一个是物理概念,二者没有丝毫的包含关系。真空的属性的确需要使用空间来描述,但那只是种数学表示,是为了方便研究才引入的参量,并不是说真空的性质取决于空间。

事实上,在真空技术里,真空系针对大气而言,一特定空间内部之部份物质被排出,使其压力小于一个标准大气压,则我们通称此空间为真空或真空状态。真空常用帕斯卡(Pascal)或托尔(Torr)做为压力的单位。在自然环境里,只有外太空堪称最接近真空的空间。

爱因斯坦在用场论观点研究引力现象时,已经认识到空无一物的真空观念是有问题的,他曾提出真空是引力场的某种特殊状态的想法。首先给予真空崭新物理内容的是P.A.M.狄拉克。狄拉克于1930年为了摆脱狄拉克方程负能解的困境,提出真空是充满了负能态的电子海。

远在1643年,意大利物理学家托里拆利发现,真空和自然空间有大气和大气压力存在。他将一根一端封闭的长玻璃管灌满汞,并倒立于汞槽中时,发现管中汞面下降,直至与管外的汞面相差76厘米时为止。托里拆利认为,玻璃管汞面上的空间是真空,76厘米高的汞柱是因为存在大气压力的缘故。

1650年,德国的盖利克制成活塞真空泵。

1654年,他在马德堡进行了著名的马德堡半球试验:用真空泵将两个合在一起的、直径为14英寸(35.5厘米)的铜半球抽成真空,然后用两组各八匹马以相反方向拉拽铜球,始终未能将两半球分开。这个著名的试验又一次证明,空间有大气存在,且大气有巨大的压力。为了纪念托里拆利在科学上的重大发现和贡献,以往习用的真空压力单位就是用他的名字命名的。

19世纪中后期,英国工业革命的成功,促进了生产力和科学实验发展,同时也推动了真空技术的发展。

1850年和1865年,先后发明了汞柱真空泵和汞滴真空泵,从而研制成了白炽灯泡(1879)、阴极射线管(1879)、杜瓦瓶(1893)和压缩式真空计(1874)。压缩式真空计的应用首次使低压力的测量成为可能。

20世纪初,真空电子管出现,促使真空技术向高真空发展。

1935~1937年发明了气镇真空泵、油扩散泵和冷阴极电离计。这些成果和1906年制成的皮拉尼真空计至今仍为大多数真空系统所常用。

1940年以后,真空应用扩大到核研究(回旋加速器和同位素分离等)、真空冶金、真空镀膜和冷冻干燥等方面,真空技术开始成为一个独立的学科。第二次世界大战期间,原子物理试验的需要和通信对高质量电真空器件的需要,又进一步促进了真空技术的发展。