自由空间

在经典物理里，自由空间（free space）是电磁理论的一种概念，指的是一种理论的完美真空，不含有任何物质的真空。有时候，自由空间又称为自由空间真空，或经典真空。自由空间可以恰当地被视为一种参考介质许多国际单位制的单位，像安培（1948年至2018年的定义）或米，其定义都是建立于以自由空间为参考介质的测量值。由于实验室所使用的参考介质并不是自由空间，实验室得到的测量值必须经过修正，才能成为以自由空间为参考介质的测量值。自由空间是将大自然抽象化而得到的一种基线或参考状态。实际而言，就像绝对零度，这种状态是永远无法达到的。自由空间有三个特定的参数：电常数 ε 0 {displaystyle varepsilon _{0},!} 、磁常数 μ 0 {displaystyle mu _{0},!} 和真空光速 c 0 {displaystyle c_{0},!} 。利用麦克斯韦方程组，可以推导出这三个参数的关系式：在国际单位制里， μ 0 {displaystyle mu _{0},!} 和 c 0 {displaystyle c_{0},!} 都已设定了精确的定义值，没有任何误差：根据这些定义值， ε 0 {displaystyle varepsilon _{0},!} 的定义值也是精确值：表征电磁相互作用的强度的精细结构常数 α {displaystyle alpha ,!} ，其表达式内也有电常数 ε 0 {displaystyle varepsilon _{0},!} 出现：其中， e {displaystyle e,!} 是单位电荷， ℏ {displaystyle hbar ,!} 是约化普朗克常数。处于自由空间的参考状态，根据麦克斯韦方程组的导引，每一种电磁波谱频率的电磁波，像无线电波或可见光波，都是以光速 c 0 {displaystyle c_{0},!} 传播。这些电磁波的电场和磁场之间的关系涉及了真空特性阻抗（characteristic impedance of vacuum） Z 0 {displaystyle Z_{0},!} ：在自由空间里，线性叠加原理对于电势、矢势、电场和磁场，都仍旧成立。例如，两个电荷所共同产生的电势，即乃其中个别电荷所产生的电势的标量和。物理学家时常会用术语“真空”来指称几种不同的状态。其中一种状态是完美真空。有时候，物理学家会讨论在完美真空里所得到的理想实验结果。这不是真正实验可以得到的结果，而是想像出来会得到的理想结果。采用这种用法时，物理学家简明扼要地称呼完美真空为经典真空或自由空间。实际而言，完美真空是不可能实现的！术语“部分真空”指的是真正能够实现的不完美真空。在可实现真空与自由空间两者之间，这提示了一个重要的分歧点，那就是，非零值压强。但是，在现代物理学里，真空只是一种简单、空无一物的空间这经典概念，已被量子真空（quantum vacuum）的概念所取代。这动作将自由空间与实际真空（量子真空）分离的更远：真空态（vacuum state）并不是空荡荡的一无所有！量子真空可以简略地定义为：量子真空"决不是一种简单的空无一物的空间"。再重复一遍，"将任何物理真空视为绝对空无一物的空间是个特大的错误"。根据量子力学，真空并不是真正的空无所有，而是含有瞬时的电磁波和虚粒子突然地出现或消失。从这些短暂的事件，可以观察到卡西米尔效应、自发射（spontaneous emission）、兰姆位移等等重要的物理现象。对这些问题有浓厚兴趣，欲想进一步探索量子真空的各种物理行为的读者，可以阅读 S. Saunders 的书《The philosophy of vacuum》或 Henning Genz 新近发表的书《Nothingness: the science of empty space》。量子真空到底是什么？很遗憾地，这最基本的问题，到今天仍旧尚未成定论。物理学家 Gerald E. Brown 这样说：例如，一个粒子的存在与否，与观察者的重力态有密切关系。这是盎鲁效应的一个重要物理行为。关于量子真空在膨胀宇宙中所扮演的角色，物理学家提出很多推测，请参阅条目真空 (宇宙学)（Cosmological constant problem）。还有，量子真空会显示出自发对称性破缺。在这里，“实现”指的是将“自由空间”这概念约化为实习（reduction to practice），或实验具体化，例如，成为实验室里制备的“部分真空”。什么是自由空间的操作定义？虽然，从理论而言，与绝对零度所面对的状况类似，自由空间是无法达成的，很多国际单位制的单位都是参考自由空间的性质设定的。因此，实验者必须估计对于实际测量值所需要的修正。例如，对于部分真空的非零压强所做的修正。对于在实验室取得关于自由空间的测量值（例如，部分真空），国际度量衡委员会特别告诫：实际而言，最新的技术可以在实验室里制备出相当好的真空，称为超高真空（ultra high vacuum）。到现在为止，对于实验室里制备出的真空，可测量到的最低压强大约为 10−11 ［帕斯卡］ 。虚无缥缈的外太空含有非常稀少的物质。尽管只是部分真空，外太空的压强大约为 10  （1×10−11 ［帕斯卡］）。稍加比较，地球海平面的压强大约为 101  （1×105 ［帕斯卡］）。当然，星际太空的物质分布并不均匀。银河系的氢原子密度大约为 1 ［原子／公分3］。宇宙终究会连续膨胀，还是会缩塌？决定这最后命运的临界密度估计为 3 ［原子／千升］。在外太空的部分真空里，有稀少的物质（大多是氢原子）、宇宙尘和宇宙线噪声（cosmic noise）。除此以外，还有温度为 2.725 K 的宇宙微波背景辐射，意味着光子密度为 400 ［光子／公分3］。因为行星际物质和星际物质的密度超小，在许多应用领域里，可以将行星际区域和星际区域视为自由空间。这动作所带入的误差微乎其微。