自由空间的性质

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 ε --> 0 {\displaystyle \varepsilon _{0}\,\!} 、磁常数 μ μ --> 0 {\displaystyle \mu _{0}\,\!} 和真空光速 c 0 {\displaystyle c_{0}\,\!} 。应过麦克斯韦方程组，可以推导出这三个参数的关系式 ：

在国际单位制里， μ 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 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 α --> {\displaystyle \alpha \,\!} ，其表达式内也有电常数 ε ε --> 0 {\displaystyle \varepsilon _{0}\,\!} 出现：

其中， e {\displaystyle e\,\!} 是单位电荷， ℏ 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 。

真空的本质

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，与观察者的引力态有密切关系 。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 。

实验室实现的自由空间

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 [Pa] ［帕斯卡］ 。

外太空实现的自由空间

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 [pPa] （1×10 ［帕斯卡］） 。稍加比较，地球海平面的压强大约为 101 [kPa] （1×10 ［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 ］ 。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 ］ 。

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。

参阅

大爆炸理论

宇宙学

虚粒子

狄拉克之海

近场和远场（ near and far field ）

均匀介质（ homogeneous media ）

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