更新时间：2024-09-20 15:42
真空（英语：vacuum）的含义是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态，是一种物理现象，常用帕斯卡（Pascal）或托尔（Torr）作为其压力的单位。“真空”词源于拉丁语形容词vacuus（中性真空），意思是“空位”或“虚空”。这样真空的近似值是一个气压远低于大气压的区域。
物理学家经常讨论在完美真空中会发生的理想测试结果，他们有时简单地称之为“真空”或“自由空间”，真空下的气压为零，有些情形下，气压小于大气压力，但不为零，此时称为局部真空，有些也简称为真空。在局部真空的情形下，若其他条件不变，气压越低，表示越接近真空。例如一般的吸尘器的吸力可以使气压降低20%。也可以产生更接近真空的条件，像化学、物理及工程常见的超高真空腔体，其气压可以到大气压力的10−12，粒子密度为每立方厘米100粒子。外层空间更接近真空。在近代的粒子物理中，将真空态视为是物质的基态。
几千年来，利奥六世认为真空这种东西不可能存在，但是到了17世纪早期，埃万杰利斯塔·托里拆利在1643年进行了第一个真空的实验开启了西方对真空的研究，他通过将一端封闭的高玻璃容器装满汞，然后将容器倒置到碗中以包含汞来创建真空，其他实验技术也因他的大气压力理论而发展起来，最有名的就是马德保半球实验。
20世纪在电灯泡及真空管问世后，真空变成一个有价值的工业工具，也出现了许多产生真空的技术，比如真空吸送技术被广泛的用于真空吸污、真空吸吊、真空成型等方面；真空保鲜技术被应用于真空包装、FD食品及真空浸渍等方面；真空电子期间是雷达、通信、电子战等系统的核心元器件；此外，真空还被应用于加速器和核聚变中；载人航天的进展也让人们开始关注真空对生物的影响。
物理中的真空一般指低于一个标准大气压的气体状态。这种状态同正常的大气状态相比较，气体较为稀薄，即单位体积内的分子数目较少，分子之间或分子与其他质点（如电子、离子）之间的碰撞概率减小，分子在单位时间内碰撞于单位表面积（如器壁）上的次数也相对减少。物理学家经常讨论在完美真空中会发生的理想测试结果，他们有时简单地称之为“真空”或“自由空间”，并使用“偏压真空”这个术语来指代实际的不完美真空，例如实验室或太空中可能出现的情况。而在工程和应用物理学中，真空则指的是压强远低于大气压的任何空间。
“真空”词源于拉丁语形容词 vacuus（中性真空），意思是“空位”或“虚空”。对这样的真空的近似是一个气压远低于大气压的区域。
真空在不同的理论下有不同的定义，下面介绍的是几种常见理论中的真空描述。
在广义相对论中，一个消失的应力能量张量意味着通过爱因斯坦场方程，伯恩哈德·黎曼张量的所有分量都消失，真空并不意味着时空的曲率一定是平的，引力场仍然可以在真空中产生曲率。
在经典电磁学中，自由空间的真空是电磁效应的标准参考介质。一些作者将这种参考介质称为经典真空，该术语旨在将这一概念与QED真空或QCD真空区分开来，其中真空波动可以产生瞬态虚拟粒子密度以及相对介电常数和相对磁导率，它们并不完全相同。
在经典电磁学理论中，自由空间具有以下性质：
电磁辐射在畅通无阻的情况下以光速传播，以SI单位表示定义值299,792,458m/s。
叠加原理总是完全正确的。例如，两个电荷产生的电势是每个电荷产生的电位的简单相加。通过计算每个单独作用的两个电荷的两个电场的矢量和，可以找到这两个电荷周围任何点的电场值。
经典电磁学的真空可以看作是一种理想化的电磁介质，其本构关系以国际单位制为单位：
将电位移场D与电场E相关联，将磁场或H场H与磁感应或B场B相关联。这里r是空间位置，t是时间。
在量子力学和量子场论中，真空被定义为具有最低能量（希尔伯特空间的基态）的状态（即理论方程的解）。在量子电动力学中，这种真空被称为“QED真空”，以区别于量子色动力学的真空，表示为QCD真空。QED真空是一种没有物质粒子且没有光子的状态。这种状态是不可能通过实验实现的。
QED真空具有有趣而复杂的特性。在QED真空中，电场和磁场的平均值为零，但它们的方差不为零。因此，QED真空包含真空波动（跳入和跳出存在的虚拟粒子）和称为真空能量的有限能量。量子涨落是量子场论中必不可少且无处不在的一部分。真空波动的一些实验验证效应包括自发辐射和兰姆位移。库仑定律和靠近电荷的真空中的电势被修改。
整个宇宙中只有将近4%的物质是参与强相互作用的核物质，余下的96%是由不可见不可测的暗物质和暗能量近乎平分。宇宙是夸克世界，而夸克本身又是虚在的潜在者，亦即，夸克的形式性是潜在的、不可见的；夸克的质料性是虚在的，说明它的质粒性是虚的、不可测的，因此，可推测夸克即使是具有质量性的存在者，也是与电磁相互作用无关的。因而说明了:
(1)暗物质是由夸克所构成的，它的质量性是夸克的质量性的显示。暗物质如此之多，而且是相对静态地潜在地存在着，说明了它们是并非处于索缚态的大量自由夸克。
(2)大量的暗物质与暗能量的存在，既说明了只有少量夸克是参与构成粒子的束缚态的，之外必定还存在多得多的自由夸克。又说明了夸克构建粒子只能在类似宇宙大爆炸那样极端条件的在境中才能发生。
(3)暗能量也是由夸克所构成的。暗能量之所以存在，由上述两点可见它们并非是处于相对论性运动态，而是由于高层次、高能级自由夸克释放的衰变能。而暗能量如此之多，说明了大量自由夸克是在随机地衰变着，直至不能再衰变的μ0夸克为止，此时获取的最小能量是衰变为μ0的能量，称为能量元。
历史上一直存在着关于真空是否存在的争议。古希腊哲学家就“真空”或“虚空”的存在进行了辩论，将其置于原子论的语境之下，原子与虚空被视为物理学的基本解释要素。亚里士多德认为，自然界中不可能存在真空，因为更加密集的周围物质连续体会立即填满任何可能导致真空产生的微小稀有性。
在他的《物理学》第四册中，亚里士多德提出了许多反对虚空的论据：例如，通过无阻碍的介质运动可以无限继续，没有理由认为某物体会在特定位置停止。公元前一世纪，卢克莱修斯辩称存在真空，公元一世纪，亚历山大的赫罗试图创造人工真空失败。
中国的西汉，刘安在《淮南万毕术》中提到：“铜瓮雷鸣。”其注曰：“取沸汤置瓮中，坚塞之，内于井中，则作雷鸣，闻数十里。”铜瓮雷鸣是由于盛沸水的铜瓮骤然遇冷造成局部真空。这是外部大气压力加上井水，压力会将铜瓮压破，爆炸出雷鸣的声响。
在13世纪和14世纪，像罗杰·培根、帕尔马的布拉修斯和沃尔特·伯利等欧洲学者，特别关注了有关真空概念的问题。最终，遵循斯多尔派物理学的学者们，从14世纪开始，越来越多地偏离了亚里士多德的观点，而对宇宙本身范围之外的超自然空虚持有更多偏爱，这一结论在17世纪被广泛认可，帮助区分了自然和神学上的关切。
继柏拉图近两千年之后，勒内·笛卡尔也提出了一种基于几何的原子论替代理论，避免了空无与原子之间的问题所处的二元对立。尽管笛卡尔同意当时的立场，即真空在自然界中并不存在，但笛卡尔成功的提出同名坐标系，或者他的形而上学中的空间物质成分定义，将真空视为体积的量化扩展。
托里拆利用了一个1米长的管子，一端封口，完全灌满汞。他将开口的一端浸入一碗水银之中，然后提升封闭端。水银柱的高度突然到达76厘米，管子里的水银上方出现了间隙。这不可能是早就排挤出去的空气，因为当他降低管子的一端，这个间隙立刻被填上；空气不可能消散得这么快。当他再次将管子一端提起，间隙重现。这个间隙就是真空，后来也被称作托里拆利真空。托里拆利意识到水银的上升必定是由于大气压造成的，大气压向下推碗中的水银，从而迫使沉重的液体升入管中。大气压只能将水银向上推至76厘米，因为这个数值对应于正常大气压值。但是水的密度比汞小13倍，因此大气压可以将水推到水银的13倍高(大约10米)。
法国哲学家布莱斯·帕斯卡预言在高山上水银柱的高度会降低，因为那里的大气压应该更低。他的姐夫弗洛兰·佩里耶在1648年用实验验证了他的观点。他还预测大气必定是逐渐变得稀薄的，在地球的某些高度之上会变成空的空间，也就是真空。
17世纪50年代，罗伯特·波义耳和罗伯特·胡克在英国牛津重做了埃万杰利斯塔·托里拆利的实验。他们发现水银柱的高度随着时间而变化。起初他们以为它取决于月相，就像潮汐那样，但后来他们意识到它取决于天气：当水银柱上升时，会有好天气来临；而当它下降时，坏天气则正在路上。实际上，他们发明了气压计。
1654年，德国科学家、马格德堡市市长葛利克(Ven Guericke)利用自己发明的真空活塞泵做了一个非常引人注目且有趣的实验。他把用金属制成的直径为40cm的金属半球对合在一起，然后用真空活塞泵将球内空气抽出，使之成为真空。然后，两边各用8匹马拼命地拉拽，才将两个半球分开，两个半球在一起的力量之大，使当时在场观看的人都惊呆了。该实验在葛利克所在的城市马德堡公开进行,故称为“马德堡半球实验”。1657年，葛利克出版了世界上第一本用拉丁文写成的有关真空方面的书，书名为《EXPERIMENTANOVA(UTVACANTUR) MAGDERURGICA DEVACUO SPAETIO》(关于空虚空间新的马格德堡试验)。自那以后，人们开始了对真空的正式研究。下图所示为马德堡半球实验图。
1659年，罗伯特·胡克为罗伯特·波义耳制作了一个有效的空气泵，然后他们把它用在一系列的实验中。他们发现一块烧红的铁块置于真空中不会变暗，因此光可以在真空中传播；但真空中响着的钟声却无法让人听到，这说明声波需要空气(或其他介质)传播。他们发现蜡烛在真空中无法燃烧，而且置于细颈瓶中的小动物会死掉。后来约瑟夫普里斯特利和其他人证明氧气是燃烧和呼吸所必需的。空气泵抽走了空气，其中包括氧气。实际上，制造完美真空是不可能的。冯·格里克、波义耳、胡克或许将气压减少了四分之三，但无法降低更多；甚至在最深的宇宙中,平均每立方米中大约也有一个氢原子。
1660年，罗伯特·波义耳(Robert Boyle)发现水银气压计可以用作真空计。在此之后，在真空技术领域中没有取得太大的进步，直到1847年麦可洛德(McLeod)设计了一种改良的真空计，该种真空计作为实验室标准一直沿用至今。1896-1916年，真空技术领域又提出并设计了几种其他类型的真空计:黏度计、热传导真空计、辐射式真空计、三极管电离真空计以及热阴极电离真空计。在同一时期，也设计并开发出各种改良的真空泵。从16世纪就已经开始使用的回旋叶片式泵得到改良。
1865年，真空技术领域开发了一种使用水银作为泵的抽气剂的真空泵。
1905年，革得(Gaede)发明了一种旋转汞泵(他也发明了世界上第一台扩散泵)。这种扩散泵在1916年被物理学家朗格缪尔(Langmuir)进行改良。最初使用的泵液是水银，后来改用油来代替水银。
1912年，革得(Gaede)发明了世界上第一台涡轮分子泵。由于那个时代的技术限制，该种分子泵并没有获得成功。后来在20世纪60年代，涡轮分子泵在结构上有了重大突破，获得了较大的成功。
在真空计领域方面，科学家们继续对各种真空计进行改良。1937年，潘宁(Penning)发明了冷阴极电离真空计；1950年，贝阿德(Bayard)和阿尔伯特(Alpert)对热阴极电离真空计进行改良，使其灵敏度更高。
20世纪30年代，各种金属的真空精炼、粒子物理学和核能的研究促进了高真空技术的发展。质谱气密性检漏仪就是高真空技术发展成果之一。基于旧有的真空技术理念开发的低温泵和吸气离子泵在真空系统中使用至今，真空计和控制器相关的各种技术仍然在不断发展。
采用最新的技术可以达到的真空度约为10-12Pa,而大气压力大致为105Pa。为了科学研究和实际工程应用的需要，常把真空划分为：低真空(1×105Pa~1×102Pa)、中真空(1×102Pa~1×10-1Pa)、高真空(1×10-1Pa~1×10-5Pa)、超高真空(1×10-5Pa~1×10-9Pa)和极高真空(\u003c1×10-9Pa)五个等级。随着真空度的提高，真空的性质(特别是气体分子的性质)将逐渐发生变化。
压力的国际单位是帕斯卡（符号Pa），但真空通常用托（torr）进行测量，命名自意大利物理学家埃万杰利斯塔·托里拆利（1608-1647）。一个托相当于汞柱（mmHg）在一个汞气压计中的位移，1托等于绝对零压力以上的133.3223684帕斯卡。真空通常也用气压计量表尺或以百分比形式的大气压力来测量，以巴或大气压表示。不同单位下各类真空的压力范围如下表所示。
真空测量的基本方法有两种：一种是直接测量气压的大小，这种测量称绝对测量(如金属真空表)；另一种称相对测量(如热电偶真空计、电离真空计)。能够直接测量的最低压强约为1×10-3Pa，在这个压强下，1cm2所受力仅为1×10-7N，需要用电子放大信号来测量。直接测量真空度的优点是它们的测量值与气体种类无关，并且能真正测量混合气体或单纯气体的总压强。间接测量真空规测量的压强与气体种类有关，因此，如果不能精确知道测量的混合气体成分，不可能把信号转换为准确的压强读数。加速器真空测量中遇到的压强都很低，要直接测量它们的压力效应是极不容易的。因此测量真空度的方法通常都是先在气体中引起一定的物理现象，然后测量这个过程中与气体压强有关的某些物理量，再设法确定真实压强。
测量真空的仪器种类很多，分类的方法也各不相同。有的根据真空计的原理和结构进行分类；有的根据对压强的测量是间接还是直接来进行分类。按真空计的工作原理和结构进行分类，主要的类型有：
静态变形真空计：利用气体分子作用在弹性元件上使弹性元件产生弹性变形的原理制成的真空计，其测量范围约为0-103Pa。
静态液体真空计：利用U形管两端的液面差来测量压强的真空计，其测量范围约为0-103Pa。
压缩真空计：它是根据波义耳定律，将被测气体的体积进行压缩使其压强增大，根据体积和压强的关系计算出被测的压强，其测量范围约为10-5-10Pa。
热传导真空计：它是利用在低压强下气体的热传导与压强有关的特性而制成的真空计。常见电阻真空计和热电偶真空计两种，其测量范围约为10-3-10Pa。
电离真空计：它是利用加速电子在稀薄气体中与气体分子碰撞而使气体分子电离，产生的离子流正比于气体压强的原理而制成的真空计。常用的有热阴极电离真空计、超高真空热阴极电离真空计、冷阴极磁控电离计等，其测量范围约为10-8-10-3Pa。
在真空技术中，压强的范围为760~10托，相差十几个数量级，这样宽的量程范围要用一种真空计来进行测量是不可能的。每一种真空计都只有一段有限的量程范围，在不同的压强范围内要用不同的真空计。下图所示就是几种常用真空计的测量范围。
在真空科学技术中，获得真空的方法主要有两种：一种方法是通过机械运动把气体直接从密闭容器中排除，通过这种方法获得真空的设备通常称为机械真空泵;；另一种方法是通过物理、化学等方法使气体分子吸附或冷凝在低温表面上而间接从密闭容器中排除气体，通过这种方法获得真空的设备被称为吸附真空泵或低温真空泵。
如果真空中没有粒子，我们就会准确地测出场与场的变化曲率。但是根据不确定性原理表明，我们不可能同时精确地测出一对共轭量，所以真空是可以“空”，但不能“无”的。因此在真空中，凭借着虚粒子、虚反粒子对的形式，粒子在真空中不停地凭空产生而又互相淹灭，但是在这个过程中总的能量是保持不变的；真空存在极性，因此说真空是不对称的。但是真空的这种不对称是相对的，这种不对称是相对局部的，在相对整体上又是对称的，如此的循环嵌套构成了真空的这个性质；真空的每个局部具备了真空的全体性质，大和小是相对而言的，同样的道理，时间也是相对于空间而言的，因此时间不能脱离了具体的空间而单独的存在。
真空可以防止氧化以及有害杂质的混入；可以减少气体分子间碰撞次数；也可以不受空气条件的影响，例如温度计需要真空10-2~10-1Pa，是因为避免在汞和乙醇受热膨胀、玻璃管内剩余气体的体积被压缩而产生的气压变化影响测量精度；此外真空的绝缘性强，在高真空下的两个电极之间，可以耐受极高的电压而不致漏电和击穿。
真空吸送是利用真空与外界环境间存在压力差所产生的力来吸附物料或输送物料。力的大小与压力差及作用面积有关。真空吸送应用十分广泛。
真空吸污：真空吸尘器、真空吸尘车、真空吸污车等真空吸污设备可清理各种垃圾废物，尤其是能够清理那些手工或机械不容易清理的空间，比如沟槽、深坑、电梯井、下水道、排污井、水塔等场所。即使是沙石、瓶罐等固体垃圾以及油脂、淤泥等液态垃圾也能被真空吸送设备十分容易地清理干净。
真空吸吊：真空吸吊装置可吸送各种固体物料、工件以及较大的物体。如真空吸吊机主要适用于板料物件的输送。
真空成型：真空成型是利用真空将原料吸附于模具表面进行加工，尤其适用于薄壁零件的成型，如冰箱及洗衣机的各种板件、塑料零件、塑料制品、塑料玩具、石棉瓦等，下图所示为真空成型塑料用品。真空无模成型即不使用模具，而直接将片材加热到所需温度后，置于夹持环上压紧，通过控制真空度，使片材达到所需的成型深度。这种方法只能改变制件的拉伸程度和外廓形状，不适用外形复杂的制件。此外，真空成型也用于制作盲人书籍、立体地图、高级陶瓷、混凝土预制件以及复制浮雕和文物等。
真空保鲜包括真空包装、真空冷冻干燥和真空浸渍等。
真空包装：真空包装就是将食品包装袋内的多余气体抽出，达到一定真空度后再进行密封处理，从而减少食品包装袋内的氧气。减少食品包装袋内的氧气，可以破坏微生物、促进酶(催化化学反应)的生存环境，从而达到食品保鲜的目的。真空包装广泛应用于熟食、酱腌菜、腌腊制品、豆制品等保鲜包装。
FD食品：真空冷冻干燥就是将含水物品冻结至共晶点温度以下而使水分变成冰，然后在真空下加热而使冰直接升华为水蒸气除去，从而达到获得冻干保鲜物品的目的。这是一种低温低压下的物理升华脱水方式，故亦称为升华干燥。经真空冷冻干燥处理的物品易于长期保存，加水后能恢复到制品冻干前的状态，并且能够保持原有的特性不变。真空冷冻干燥广泛应用于食品、药品、化工以及生物制品等领域。
真空浸渍：真空浸渍是在真空条件下，通过负压将浸渍材料浸渍到其他固体物质中，以达到改善物质的材料性能或满足某种特定要求的真空应用工艺。真空浸渍也是一种食品保鲜的手段，是指在一定条件下，将食品原料放入渗透压力的糖溶液或盐溶液中，将物料中水分转移到溶液中达到除去部分水分的目的。它还可用于盘条、木材、电容器、变压器以及电缆等浸渍处理。
真空电子器件就是利用电磁场控制电子在空间的运动以达到放大、振荡、显示图像等目的。为避免电子与气体分子间的碰撞，保证电子在空间的运动规律，而把电子器件内部抽成不同程度的真空度。真空电子元器件包括各种电子管、充气管、电子束管、电光源管、中子管、电子衍射仪、电子显微镜、X射线显微镜、粒子加速器、质谱仪、核辐射谱仪、真空断路器、气体激光器等。真空电子元器件也是雷达、通信、电子战等系统的核心元器件。
真空冶金是在低于标准大气压条件下进行的冶金作业。其可以实现大气中无法进行的冶金过程，能防止金属氧化，分离沸点不同的物质，除去金属中的气体或杂质，增强金属中碳的脱氧能力，提高金属和合金的质量。真空冶金具有清洁无污染、节能环保、可消除材料缺陷等优点，非常适合黑色金属、稀有金属、超纯金属及其合金、半导体材料等的冶炼。真空冶金应用范围十分广泛，包括真空脱气及铸造、真空熔炼及铸造、真空热处理、真空蒸馏、真空烧结、真空钎焊、真空制粉、真空还原以及真空表面处理等。
真空镀膜是一种在真空条件下把金属、合金或化合物等镀覆在基体(基片、基板)表面上的镀膜技术。镀膜是为了在基体表面形成具有某种特殊功能的薄膜，其主要目的是为了改变基体表面的物理、化学以及力学性能。金属、陶瓷、玻璃以及有机材料等均可作为镀层材料进行镀覆。
粒子加速器(荷电粒子加速器的简称)是一种真空电子器件，是使带电粒子在高真空场中受磁场力控制、电场力加速而达到高能量的特种电磁、高真空装置，是人为地提供各种高能粒子束或辐射线的现代化装备。常见的粒子加速器应用于电视的阴极射线管及X射线管等设施。
核聚变又称核融合、融合反应、聚变反应或热核反应,是利用两个轻原子(如氘、氚)聚合成一个重原子核(如氦)，并释放巨大的能量。核聚变原料可来源于海水和一些轻核，几乎是取之不尽，因此核聚变的发展前途不言而喻。核聚变所需要的温度约为2亿℃，在聚变中，如果氘、氚中含有杂质，这种超高温是很难达到的，因此将核聚变装置内部抽到超高真空是必不可少的条件，通常要求的真空度在10-7~10-5Pa范围内。
人突然暴露在真空环境中，约经10秒便会因极度缺氧而丧失意识，经30秒便会因气压极低而发生体液沸腾。若环境温度超出人体体温调节能力，体内热平衡破坏，引起热积或热债，从而导致功能紊乱，工作效率严重降低，自觉症状严重，甚至高温持久而发展到中暑昏迷，或低温持久而发展到肢端麻木冻僵，全身寒战，最后昏迷。这种恶劣的环境是不适合人生存的，只能通过使用防护装备加以解决。因此，在航天器中设计了一套完整的航天器环境控制和生命保障系统，提供了一个符合人体要求的压力、气体浓度和温度的大气环境,，可以确保航天员在舱内和舱外活动时的安全、健康和高效工作。
动物实验表明，短于 90 秒的暴露时间快速和完全恢复是正常的，而较长时间的全身暴露是致命的，复苏从未成功。 美国航空航天局对八只黑猩猩进行的一项研究发现，它们都暴露在真空中两分半钟后幸存下来。 人类事故的数据数量有限，但与动物数据一致。如果呼吸没有受损，四肢暴露的时间可能会更长。
不同场景下的真空度如下表所示。
真空.术语在线.2024-05-29
speed of light in vacuum.physics.2024-05-29
What is the scientific definition of a vacuum?.NPL.2024-06-08
The Effect on the Chimpanzee of Rapid Decompression to a near Vacuum.nasa.2024-06-04
Standard Atmosphere Properties.luizmonteiro.2024-06-12
What is the Interstellar Medium.ssg.sr.unh.edu.2024-06-12