1、问题的由来
在一次中学物理教师培训班上,我结合中学物理教学及教师的实际提出一系列问题供老师们讨论,其中之一是“真空”问题,即谈谈你对“真空”这一概念的认识与理解.经几位老师发言讨论之后,我觉得他们对“真空”概念的认识与理解还基本停留在古代的认识阶段.表现出:(1)对“真空”概念的现代含义没能准确把握;(2)对“真空”概念的形成发展过程缺乏应有的了解.这样势必会给教师的物理教学带来困惑.为此我想就这一问题作一剖析,以加深对这一概念更深层次的认识.
2、对“真空”概念的认识发展过程
真空问题既是一个老问题,又是一个新问题.说它是一个老问题,因为从古代起它就是一个重要问题,说它是一个新问题,因为在当代物理前沿它仍然是一个大问题.
(1)古代对真空的认识
在古代,关于真空的看法基本上有两种:一种承认有真空,有虚无一物的空间,有作为独立存在的空间,如德莫克利特哲学,就以原子与虚空为基本观念,原子在虚空中运动,它们聚合成万物;另一种否认有真空,没有虚无一物的空间,如亚里士多德哲学,就排斥虚空观念,认为以太充满整个宇宙空间.这里涉及到空间与物质的关系,空间或者作为独立实在而存在,或者仅仅能够作为物质的属性(广延性)存在.在这两种情况下,能否出现没有任何物质的空间呢?在古代,凭借人类很低的实践水平与认识能力,当然不能解决这个问题.
(2)近代对真空的认识
到了近代,关于真空的基本观念仍然有两种,但因为有了科学实验基础上的自然科学研究,问题大大深化了.一种意见承认有真空,即承认有空虚空间存在.其中既有古代原子论的继承者,又有以太与场论的支持者.实际上,不仅牛顿力学,而且麦克斯韦电磁场理论,以致爱因斯坦狭义相对论,均承认空虚空间.从牛顿的惯性定律到爱因斯坦的光速不变原理,均以空虚空间作背景,惯性定律肯定物体在空虚空间中能够保持静止或匀速直线运动,光速不变原理肯定光在空虚空间中能够保持以不变速度直线传播.以太与场论的支持者基本上是在肯定空虚空间基础上,认为以太或场充满整个空虚空间.当然还有另一种意见,否认有真空,不承认有空虚空间,笛卡儿就持这种意见,他认为空间是广延性,没有离开物质的广延性,他也是以太论者.在近代,犹如古代一样,仍然是承认空虚空间的意见占优势,否认空虚空间的意见没有取得支配地位.当时出现这种情况也较自然,因为这在宏观物理的实践与认识水平条件下,人们对时空与物质关系的认识,主要看到两者相对独立性的一面,对于两者之间的深刻联系,还认识不深,因而承认空虚空间的观念能够取得支配性地位.但即使在宏观物理的发展阶段上,人们也已经发现空间与物质运动相互关系中的一些重要疑点,如空间对物质运动有深刻影响,但物质运动对它却毫无影响,依据相互作用原则,这是很难理解的.
(3)现代对“真空”的认识
到了现代,情况大不一样了,对于空间与物质的深刻联系的认识越来越清楚了,这时出现了几种新的理论认识.第一个是广义相对论.广义相对论把空间看作为场的结构性质,从而否定了空虚空间,揭示了空间与物质的深刻联系.广义相对论既没有把物质几何化,也没有把空间物质化,因为空间仍然是物质的一种属性,弯曲空间是引力场的结构特征.真空并不是虚无一物,而是引力场的一种特殊形态,是物质的一种特殊形态.第二个是量子力学,狄拉克在创立相对论性量子力学中,考虑了运动方程中出现的负能解,他并没有加以简单抛弃,而是提出了一种新的物理真空观念.根据量子力学原理,他设想负能级已由电子占满了,物理真空就是电子充满了负能级的电子海,这个观念从另一个角度显示了真空与物质之间的深刻联系,肯定了真空的物质性.由于自然界的一切物理现象与物理测量均相对于真空背景进行,因而通常仪器不能测得真空的表观现象.但在一些特殊情况下,仍然有可能发现真空中的一些物理现象,如真空极化现象(当真空中放入带电粒子会产生类似于电场极化现象)与真空涨落现象(由于真空中电磁场的零点振动,附加在电子上发生随机布朗运动效应).第三个是量子场论,它在微观粒子具有波粒二象性的观念基础上,把粒子与场统一起来,提出了量子场概念,每一种基本粒子均对应一种量子场.量子场是物质的基本存在形态.在量子场论中,量子场的激发态代表粒子的产生,量子场的退激代表粒子的消失,真空则是处于基态能量的量子场,其中仍然存在量子场的复杂运动.在这里,真空的物质性,真空是物质的特殊形态就更加[1] [2] 下一页
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