每天早上，當(dāng)你擰開保溫杯喝到還冒著熱氣的咖啡時(shí)，可能不會(huì)想到——這件平常小事的背后，隱藏著一個(gè)困擾人類幾千年的問題：真空到底是什么？是真的什么都沒有，還是另有玄機(jī)？

今天，讓我們一起走進(jìn)真空的世界，探索這個(gè)看似“空無(wú)一物”的空間如何深刻影響著我們的日常生活，并了解科學(xué)家們?nèi)绾卧趯?shí)驗(yàn)室中制造出極致的真空環(huán)境。

馬德堡半球?qū)嶒?yàn)想象圖

馬德堡半球?qū)嶒?yàn)是一個(gè)證明大氣壓存在的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)者將兩個(gè)半球注滿水后合在一起，抽干其中的水使球體內(nèi)部變成真空，兩個(gè)半球便緊緊地合在了一起，需要用十幾頭馬才能再次拉開。

（圖片來(lái)源：維基百科）

保溫杯的原型：第一次妙用真空

1892年，蘇格蘭科學(xué)家詹姆斯·杜瓦爵士在實(shí)驗(yàn)室里遇到了一個(gè)棘手的問題：如何保存極低溫的液態(tài)氣體？他靈機(jī)一動(dòng)，制作了一個(gè)雙層玻璃容器，把兩層玻璃之間的空氣抽掉，創(chuàng)造出一個(gè)近似真空的空間。令人驚奇的是，這個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)竟然能讓低溫液態(tài)氣體保存好幾個(gè)小時(shí)。

這就是現(xiàn)代保溫杯的原型——杜瓦瓶。它的原理其實(shí)很簡(jiǎn)單：熱量傳遞主要通過三種方式——傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。當(dāng)兩層容器壁之間是真空時(shí)，沒有空氣分子，自然就阻斷了熱傳導(dǎo)和對(duì)流。再在內(nèi)壁鍍上反光層減少熱輻射，一個(gè)高效且廉價(jià)的保溫容器就誕生了。

早期保溫瓶專利中的保溫瓶原理示意圖

（圖片來(lái)源：維基百科）

今天，這一原理不僅用在保溫杯上，還廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域——醫(yī)院運(yùn)送疫苗的保溫箱、液化天然氣運(yùn)輸船的儲(chǔ)罐，甚至國(guó)際空間站的隔熱層，都是利用真空來(lái)阻止熱量傳遞?？梢哉f，正是對(duì)真空特性的巧妙利用，讓我們的生活變得更加便利。

從燈泡到顯示屏：真空技術(shù)照亮現(xiàn)代文明

如果說保溫杯展示了真空的隔熱特性，那么電燈泡則展現(xiàn)了真空的另一個(gè)重要作用——隔絕氧氣，保護(hù)燈絲。愛迪生在發(fā)明電燈泡時(shí)面臨的最大挑戰(zhàn)，就是燈絲在高溫下會(huì)迅速氧化燒斷。他的解決方案是什么呢？盡可能把燈泡內(nèi)的空氣抽走，創(chuàng)造一個(gè)接近真空的環(huán)境，讓燈絲在沒有氧氣的條件下發(fā)光。

這個(gè)簡(jiǎn)單的原理開啟了真空技術(shù)的黃金時(shí)代。20世紀(jì)初，真空管的發(fā)明讓無(wú)線電通信成為可能。收音機(jī)、電視機(jī)、早期的計(jì)算機(jī)，都依賴真空管來(lái)放大和處理信號(hào)。雖然今天晶體管已經(jīng)取代了大部分真空管，但在某些高功率、高頻率的應(yīng)用中，真空管依然不可替代。許多高端音響發(fā)燒友至今還在追捧真空管功放（功率放大器，負(fù)責(zé)將微弱的音頻信號(hào)放大到足以驅(qū)動(dòng)音箱的強(qiáng)度，使聲音清晰響亮），認(rèn)為它能帶來(lái)更溫暖、更有韻味的聲音。

更重要的是，現(xiàn)代電子工業(yè)的基石——半導(dǎo)體芯片制造，完全離不開超高真空技術(shù)。芯片制造的核心工藝，如離子注入、激光光刻、電子束光刻、物理氣相沉積等，都需要使用激光、電子束或離子束。這些帶電粒子束在普通環(huán)境中會(huì)與空氣分子碰撞而散射，根本無(wú)法精確控制。只有在高真空環(huán)境中，電子和離子才能穩(wěn)定地沿著預(yù)定軌道運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)別的精確加工。

此外，許多薄膜沉積過程需要原子或分子從源材料直線飛行到硅片表面，這也只有在真空中才能實(shí)現(xiàn)?？梢哉f，沒有真空技術(shù)，就沒有今天的信息時(shí)代。

太空并不“空”：重新認(rèn)識(shí)宇宙中的真空

提到真空，很多人首先想到的是外太空。確實(shí)，太空是我們能接觸到的最接近真空的環(huán)境。但即使是太空，也并非完全的“空無(wú)一物”。

在地球上空100公里的高度，大氣已經(jīng)稀薄到幾乎可以忽略，但每立方厘米的空間里仍然有大約100萬(wàn)個(gè)分子。到了國(guó)際空間站運(yùn)行的400公里高度，這個(gè)數(shù)字降到了約10萬(wàn)個(gè)。即使在更遙遠(yuǎn)的星際空間，每立方厘米也還有大約1個(gè)氫原子。

不同程度的真空

（表格來(lái)源：維基百科）

這些稀薄的物質(zhì)雖然看似微不足道，卻會(huì)對(duì)航天器產(chǎn)生實(shí)實(shí)在在的影響。比如，國(guó)際空間站每年會(huì)因?yàn)榕c稀薄大氣的摩擦而降低軌道高度約2公里，需要定期點(diǎn)火提升軌道。衛(wèi)星的太陽(yáng)能電池板也會(huì)因?yàn)樵友醯霓Z擊而逐漸退化。

更有趣的是，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)太空中還充滿了各種“看不見”的物質(zhì)：宇宙射線、太陽(yáng)風(fēng)、磁場(chǎng)、引力波……這些都讓所謂的“真空”變得異常“擁擠”。2019年，“旅行者2號(hào)”探測(cè)器傳回的數(shù)據(jù)顯示，即使在太陽(yáng)系邊緣，星際空間的壓力也比預(yù)期的要大，這表明那里的物質(zhì)密度比我們想象的要高。

地球磁層結(jié)構(gòu)，說明了太陽(yáng)風(fēng)與地球磁場(chǎng)相互作用的情況

（圖片來(lái)源：維基百科）

實(shí)驗(yàn)室里的極限挑戰(zhàn)：人類能制造多“空”的真空？

既然自然界中找不到絕對(duì)的真空，那么人類能在實(shí)驗(yàn)室里制造出多接近“完美”的真空呢？這成了科學(xué)家和工程師們的一項(xiàng)極限挑戰(zhàn)。

目前，人類制造的最接近絕對(duì)真空的環(huán)境，存在于大型粒子加速器中。比如歐洲的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC），其27公里長(zhǎng)的環(huán)形隧道內(nèi)部的真空度達(dá)到了10的負(fù)13次方帕斯卡。這是什么概念？如果把標(biāo)準(zhǔn)大氣壓比作珠穆朗瑪峰的高度，那么LHC內(nèi)部的壓力就相當(dāng)于一粒沙子的高度。在這樣的環(huán)境中，一個(gè)分子要飛行幾千公里才會(huì)碰到另一個(gè)分子。

從空中鳥瞰大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的地理環(huán)境，雖然結(jié)構(gòu)大部分在法國(guó)境內(nèi)，但是主要的建筑則多在瑞士

（圖片來(lái)源：維基百科Maximilien Brice，CERN)

為了達(dá)到這樣的真空度，科學(xué)家們使用了多種技術(shù)。首先用機(jī)械泵把大部分空氣抽走，然后用渦輪分子泵繼續(xù)降低壓力，最后用離子泵、鈦升華泵等特殊設(shè)備“捕捉”剩余的分子。整個(gè)過程就像用越來(lái)越細(xì)的篩子過濾空氣，直到幾乎什么都不剩。

這種超高真空不僅用于基礎(chǔ)科學(xué)研究，在工業(yè)上也有重要應(yīng)用。比如制造高性能的真空絕熱材料、生產(chǎn)超純材料、進(jìn)行表面分析等。隨著技術(shù)的進(jìn)步，真空設(shè)備也在不斷朝著小型化、智能化的方向發(fā)展，讓更多領(lǐng)域能夠利用真空技術(shù)。

不斷突破新邊界的超高真空技術(shù)

2022年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所的研究團(tuán)隊(duì)在超高真空環(huán)境制備納米材料領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展——他們自主設(shè)計(jì)并搭建了一套超高真空環(huán)境下的二維材料機(jī)械剝離-堆垛系統(tǒng)，成功解決了制備高質(zhì)量二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵難題。

這套系統(tǒng)在10^-10 mbar量級(jí)的超高真空環(huán)境中，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)單層黑磷的角分辨光電子能譜測(cè)量，觀察到了清晰的衍射斑點(diǎn)和空穴型能帶，這是國(guó)際上首次對(duì)單層黑磷進(jìn)行的相關(guān)測(cè)量。

更令人矚目的是，研究團(tuán)隊(duì)利用這一技術(shù)制備出了多種以前未曾報(bào)道過的二維異質(zhì)結(jié)，包括Bi-2212/Si(111)、MoS2/Fe、FeSe/SrTiO3等，為探索二維材料的本征物性和界面演生現(xiàn)象提供了全新的研究平臺(tái)。這項(xiàng)發(fā)表在《Science Bulletin》上的研究成果表明，超高真空技術(shù)正在成為推動(dòng)納米材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理研究的重要工具，為開發(fā)新型電子、光電和自旋器件奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)

在大科學(xué)裝置領(lǐng)域，超高真空技術(shù)同樣發(fā)揮著不可替代的作用。2025年4月，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所成功研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)萬(wàn)瓦級(jí)氦制冷機(jī)，這臺(tái)超大型低溫制冷設(shè)備能夠在液氦溫度（-269℃）下實(shí)現(xiàn)超過10000瓦的制冷量，液化模式下氦氣液化率達(dá)到驚人的3370升每小時(shí)。

其中的關(guān)鍵技術(shù)突破之一就是超大型高真空絕熱冷箱的研制——這個(gè)總長(zhǎng)約28米、直徑超4米、重達(dá)180噸的巨型裝置，必須在超高真空環(huán)境下工作，才能有效隔絕外界熱量，確保內(nèi)部的極低溫環(huán)境穩(wěn)定。這項(xiàng)技術(shù)不僅將為加速器驅(qū)動(dòng)嬗變研究裝置提供必需的低溫環(huán)境，助力核廢料處理這一重大科學(xué)難題的解決，還將在可控核聚變、超導(dǎo)技術(shù)等前沿領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

從微觀的二維材料研究到宏觀的大科學(xué)裝置，超高真空技術(shù)正在成為支撐我國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究不斷突破的重要基石。

結(jié)語(yǔ)：真空——充滿可能的“空”間

回到最初的問題：真空真的是空無(wú)一物嗎？答案既是肯定的，也是否定的，這取決于我們看待真空的視角。

從實(shí)用角度看，真空確實(shí)是一個(gè)物質(zhì)極其稀薄的空間，這種“空”賦予了它獨(dú)特的性質(zhì)——隔熱、隔音、無(wú)氧化、無(wú)摩擦……正是這些特性，讓真空技術(shù)成為現(xiàn)代文明不可或缺的一部分。

從科學(xué)角度看，即使是最好的真空也不是絕對(duì)的“無(wú)”。那里仍然有稀薄的物質(zhì)、各種場(chǎng)和輻射，甚至可能蘊(yùn)含著我們尚未理解的能量。然而，恰恰是這種“不空”激發(fā)著科學(xué)家們不斷探索，推動(dòng)著技術(shù)不斷進(jìn)步。

下次當(dāng)你擰開保溫杯感受熱飲的溫度，滑動(dòng)手機(jī)屏幕瀏覽信息，或者仰望星空時(shí)，不妨想想真空的存在。這個(gè)看似“什么都沒有”的空間，其實(shí)正在以各種方式影響著我們的生活。而隨著科技的發(fā)展，真空必將在更多領(lǐng)域發(fā)揮作用，為人類帶來(lái)更多驚喜。畢竟，在科學(xué)的世界里，“空”未必是虛無(wú)的代稱，它的背后有著無(wú)限的可能。

出品：科普中國(guó)

作者：李瑞（半導(dǎo)體工程師）

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