每天早上，當你擰開保溫杯喝到還冒著熱氣的咖啡時，可能不會想到——這件平常小事的背后，隱藏著一個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？

今天，讓我們一起走進真空的世界，探索這個看似“空無一物”的空間如何深刻影響著我們的日常生活，并了解科學家們如何在實驗室中制造出極致的真空環境。

馬德堡半球實驗想象圖

馬德堡半球實驗是一個證明大氣壓存在的實驗。實驗者將兩個半球注滿水后合在一起，抽干其中的水使球體內部變成真空，兩個半球便緊緊地合在了一起，需要用十幾頭馬才能再次拉開。

（維基百科）

保溫杯的原型：第一次妙用真空

1892年，蘇格蘭科學家詹姆斯·杜瓦爵士在實驗室里遇到了一個棘手的問題：如何保存極低溫的液態氣體？他靈機一動，制作了一個雙層玻璃容器，把兩層玻璃之間的空氣抽掉，創造出一個近似真空的空間。令人驚奇的是，這個簡單的設計竟然能讓低溫液態氣體保存好幾個小時。

這就是現代保溫杯的原型——杜瓦瓶。它的原理其實很簡單：熱量傳遞主要通過三種方式——傳導、對流和輻射。當兩層容器壁之間是真空時，沒有空氣分子，自然就阻斷了熱傳導和對流。再在內壁鍍上反光層減少熱輻射，一個高效且廉價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

（維基百科）

今天，這一原理不僅用在保溫杯上，還廣泛應用在各個領域——醫院運送疫苗的保溫箱、液化天然氣運輸船的儲罐，甚至國際空間站的隔熱層，都是利用真空來阻止熱量傳遞。可以說，正是對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：真空技術照亮現代文明

如果說保溫杯展示了真空的隔熱特性，那么電燈泡則展現了真空的另一個重要作用——隔絕氧氣，保護燈絲。愛迪生在發明電燈泡時面臨的最大挑戰，就是燈絲在高溫下會迅速氧化燒斷。他的解決方案是什么呢？盡可能把燈泡內的空氣抽走，創造一個接近真空的環境，讓燈絲在沒有氧氣的條件下發光。

這個簡單的原理開啟了真空技術的黃金時代。20世紀初，真空管的發明讓無線電通信成為可能。收音機、電視機、早期的計算機，都依賴真空管來放大和處理信號。雖然今天晶體管已經取代了大部分真空管，但在某些高功率、高頻率的應用中，真空管依然不可替代。許多高端音響發燒友至今還在追捧真空管功放（功率放大器，負責將微弱的音頻信號放大到足以驅動音箱的強度，使聲音清晰響亮），認為它能帶來更溫暖、更有韻味的聲音。

更重要的是，現代電子工業的基石——半導體芯片制造，完全離不開超高真空技術。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境中會與空氣分子碰撞而散射，根本無法精確控制。只有在高真空環境中，電子和離子才能穩定地沿著預定軌道運動，實現納米級別的精確加工。

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現。可以說，沒有真空技術，就沒有今天的信息時代。

太空并不“空”：重新認識宇宙中的真空

提到真空，很多人首先想到的是外太空。確實，太空是我們能接觸到的最接近真空的環境。但即使是太空，也并非完全的“空無一物”。

在地球上空100公里的高度，大氣已經稀薄到幾乎可以忽略，但每立方厘米的空間里仍然有大約100萬個分子。到了國際空間站運行的400公里高度，這個數字降到了約10萬個。即使在更遙遠的星際空間，每立方厘米也還有大約1個氫原子。

不同程度的真空

（表格維基百科）

這些稀薄的物質雖然看似微不足道，卻會對航天器產生實實在在的影響。比如，國際空間站每年會因為與稀薄大氣的摩擦而降低軌道高度約2公里，需要定期點火提升軌道。衛星的太陽能電池板也會因為原子氧的轟擊而逐漸退化。

更有趣的是，科學家發現太空中還充滿了各種“看不見”的物質：宇宙射線、太陽風、磁場、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”探測器傳回的數據顯示，即使在太陽系邊緣，星際空間的壓力也比預期的要大，這表明那里的物質密度比我們想象的要高。

地球磁層結構，說明了太陽風與地球磁場相互作用的情況

（維基百科）

實驗室里的極限挑戰：人類能制造多“空”的真空？

既然自然界中找不到絕對的真空，那么人類能在實驗室里制造出多接近“完美”的真空呢？這成了科學家和工程師們的一項極限挑戰。

目前，人類制造的最接近絕對真空的環境，存在于大型粒子加速器中。比如歐洲的大型強子對撞機（LHC），其27公里長的環形隧道內部的真空度達到了10的負13次方帕斯卡。這是什么概念？如果把標準大氣壓比作珠穆朗瑪峰的高度，那么LHC內部的壓力就相當于一粒沙子的高度。在這樣的環境中，一個分子要飛行幾千公里才會碰到另一個分子。

從空中鳥瞰大型強子對撞機的地理環境，雖然結構大部分在法國境內，但是主要的建筑則多在瑞士

（維基百科Maximilien Brice，CERN)

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

這種超高真空不僅用于基礎科學研究，在工業上也有重要應用。比如制造高性能的真空絕熱材料、生產超純材料、進行表面分析等。隨著技術的進步，真空設備也在不斷朝著小型化、智能化的方向發展，讓更多領域能夠利用真空技術。

不斷突破新邊界的超高真空技術

2022年，中國科學院物理研究所的研究團隊在超高真空環境制備納米材料領域取得了重要進展——他們自主設計并搭建了一套超高真空環境下的二維材料機械剝離-堆垛系統，成功解決了制備高質量二維材料異質結構的關鍵難題。

這套系統在10^-10 mbar量級的超高真空環境中，首次實現了對單層黑磷的角分辨光電子能譜測量，觀察到了清晰的衍射斑點和空穴型能帶，這是國際上首次對單層黑磷進行的相關測量。

更令人矚目的是，研究團隊利用這一技術制備出了多種以前未曾報道過的二維異質結，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象提供了全新的研究平臺。這項發表在《Science Bulletin》上的研究成果表明，超高真空技術正在成為推動納米材料科學和凝聚態物理研究的重要工具，為開發新型電子、光電和自旋器件奠定了堅實基礎

在大科學裝置領域，超高真空技術同樣發揮著不可替代的作用。2025年4月，中國科學院理化技術研究所成功研制出國內首臺萬瓦級氦制冷機，這臺超大型低溫制冷設備能夠在液氦溫度（-269℃）下實現超過10000瓦的制冷量，液化模式下氦氣液化率達到驚人的3370升每小時。

其中的關鍵技術突破之一就是超大型高真空絕熱冷箱的研制——這個總長約28米、直徑超4米、重達180噸的巨型裝置，必須在超高真空環境下工作，才能有效隔絕外界熱量，確保內部的極低溫環境穩定。這項技術不僅將為加速器驅動嬗變研究裝置提供必需的低溫環境，助力核廢料處理這一重大科學難題的解決，還將在可控核聚變、超導技術等前沿領域發揮重要作用。

從微觀的二維材料研究到宏觀的大科學裝置，超高真空技術正在成為支撐我國基礎科學研究不斷突破的重要基石。

結語：真空——充滿可能的“空”間

回到最初的問題：真空真的是空無一物嗎？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。

從實用角度看，真空確實是一個物質極其稀薄的空間，這種“空”賦予了它獨特的性質——隔熱、隔音、無氧化、無摩擦……正是這些特性，讓真空技術成為現代文明不可或缺的一部分。

從科學角度看，即使是最好的真空也不是絕對的“無”。那里仍然有稀薄的物質、各種場和輻射，甚至可能蘊含著我們尚未理解的能量。然而，恰恰是這種“不空”激發著科學家們不斷探索，推動著技術不斷進步。

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

出品：科普中國

作者：李瑞（半導體工程師）

監制：中國科普博覽