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{{NoteTA|G1=物理學}}
在[[經典物理]]裏，'''自由空間'''（{{lang|en|free space}}）是電磁理論的一種概念，指的是一種理論的完美[[真空]]，不含有任何物質的真空。有時候，自由空間又稱為'''自由空間真空'''，或'''經典真空'''。自由空間可以恰當地被視為一種參考介質<ref name=weig>
{{cite book
 | title = Introduction to complex mediums for optics and electromagnetics
 | url = https://archive.org/details/isbn_9780819449474
 | author = Werner S. Weiglhofer and Akhlesh Lakhtakia
 | publisher = SPIE Press
 | chapter=§ 4.1 The classical vacuum as reference medium
 | year = 2003
 | isbn = 9780819449474
 | pages= pp. 28, 34 ''ff''
 }}</ref><ref name=Wolf>
{{cite book
 | title = Progress in Optics, Volume 51
 | chapter = Electromagnetic Fields in Linear Bianisotropic Mediums
 | author = Tom G. MacKay
 | editor = Emil Wolf
 | publisher = Elsevier
 | year = 2008
 | isbn = 9780444520388
 | page = 143
 }}</ref>。 

許多[[國際單位制]]的單位，像[[安培]]（1948年至2018年的定義）或[[公尺]]，其定義都是建立於以自由空間為參考介質的測量值。由於實驗室所使用的參考介質並不是自由空間，實驗室得到的測量值必須經過修正，才能成為以自由空間為參考介質的測量值<ref name=CIPM/>。

==自由空間的性質==
{{Update|time=2025-02-10|reason=2019年國際單位制基本單位重新定義，以精細結構常數定義磁常數和電常數，且三者均有<math>1.6\times 10^{-10}</math>的相對不確定度}}
自由空間是將[[大自然]][[抽象化]]而得到的一種基線或參考狀態。實際而言，就像[[絕對零度]]，這種狀態是永遠無法達到的。自由空間有三個特定的[[參數]]：[[電常數]] <math>\varepsilon_0\,\!</math> 、[[磁常數]]  <math>\mu_0\,\!</math> 和[[光速|真空光速]] <math>c_0\,\!</math> 。利用[[馬克士威方程組]]，可以[[推導]]出這三個參數的[[關係式]]<ref name=weig/>：
:<math> \varepsilon_0 \mu_0 = \frac {1}{{c_0}^2}\,\!</math>。

在[[國際單位制]]裏，<math>\mu_0\,\!</math> 和 <math>c_0\,\!</math> 都已設定了精確的[[定義值]]，沒有任何[[誤差]]<ref name="NIST">請參閱美國國家標準和科技學院設定的標準值：[http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mu0] {{Wayback|url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mu0|date=20070820144036}}、[http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?c] {{Wayback|url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?c|date=20170625090639}}、[http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?ep0] {{Wayback|url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?ep0|date=20070423153428}}、 [http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?z0] {{Wayback|url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?z0|date=20210418182325}} 。</ref>：
:<math>\mu_0\ \stackrel{def}{=}\ 4\pi \times 10^{ - 7} \approx 1.2566370614...\ \times\  10^{-6} \,\!</math> [H/m] （［亨利／公尺］）或 [N/A<sup>2</sup>] （［牛頓／安培<sup>2</sup>］）、    
:<math>c_0\ \stackrel{def}{=}\ 299 792 458\,\!</math> [m/sec] （［公尺／秒］）。

根據這些定義值，<math>\varepsilon_0\,\!</math> 的定義值也是精確值<ref name=NIST />：
:<math> \varepsilon_0\ \stackrel{def}{=}\ \frac {1}{\mu_0 {c_0}^2} \approx  8.854187817...\ \times \  10^{-12} \ \,\!</math> [F/m] （［法拉／公尺］）。

表徵[[電磁相互作用]]的強度的[[精細結構常數]] <math>\alpha\,\!</math> ，其表達式內也有電常數 <math>\varepsilon_0\,\!</math> 出現：
: <math>\alpha = \frac{e^2}{(4 \pi \varepsilon_0)\hbar c_0}\,\!</math> ；

其中，<math>e\,\!</math> 是[[單位電荷]]，<math>\hbar\,\!</math> 是[[約化普朗克常數]]。

處於自由空間的參考狀態，根據[[馬克士威方程組]]的導引，每一種[[電磁波譜]][[頻率 (物理學)|頻率]]的[[電磁波]]，像[[無線電波]]或[[可見光|可見光波]]，都是以光速 <math>c_0\,\!</math> 傳播。這些電磁波的電場和磁場之間的關係涉及了[[真空特性阻抗]]（{{lang|en|characteristic impedance of vacuum}}） <math>Z_0\,\!</math><ref name=NIST /> ：
:<math> Z_0= \mu_0 c_0 =\sqrt{\frac {\mu_0} { \varepsilon_0}} \approx 376.73031... \,\!</math> [Ω] （［歐姆］）。

在自由空間裏，線性[[疊加原理]]對於[[電勢]]、[[向量勢]]、[[電場]]和[[磁場]]，都仍舊成立。例如，兩個[[電荷]]所共同產生的電勢，即乃其中個別電荷所產生的電勢的純量和<ref name=Chattopadhyay>
{{cite book
|author = Chattopadhyay, D. and Rakshit, P.C.
|title = Elements of Physics: vol. 1
|publisher = New Age International
|year = 2004
|isbn = 8122415385
|page = 577}}
</ref>。

==真空的本質==
{{See also|真空能量|真空態}}
物理學家時常會用術語「真空」來指稱幾種不同的狀態。其中一種狀態是'''完美真空'''。有時候，物理學家會討論在完美真空裏所得到的理想實驗結果。這不是真正實驗可以得到的結果，而是想像出來會得到的理想結果。採用這種用法時，物理學家簡明扼要地稱呼完美真空為'''經典真空'''<ref name=Auyang>{{cite book |title=How is quantum field theory possible? |url=https://archive.org/details/howisquantumfiel0000auya |author=Sunny Y. Auyang |pages=pp. 151-152 |isbn=0195093445 |year=1995 |publisher=Oxford University Press}}</ref>或自由空間。實際而言，完美真空是不可能實現的！術語「部分真空」指的是真正能夠實現的不完美真空。在可實現真空與自由空間兩者之間，這提示了一個重要的分歧點，那就是，非零值[[壓強]]。

但是，在現代物理學裏，真空只是一種簡單、空無一物的空間<ref name=free_space>自由空間的經典概念有很多大同小異的版分。舉三個例子：{{cite book |title=The Theory of Relativity |author=R. K. Pathria |quote=自由空間是沒有任何導體、電介質或磁性物質的空間。|pages=pp. 119 |isbn=0486428192 |year=2003 |edition=Reprint of Pergamon Press 1974 2nd |publisher=Courier Dover Publications}}; {{cite book |title=Academic Press dictionary of science and technology |quote=自由空間是一種理論概念，專門描述除去所有物質的空間|pages=pp. 880 |editor= Christopher G. Morris |isbn=0122004000 |year=1992 |publisher=Gulf Professional Publishing}}; and {{cite book |title=Quantum optics |url=https://archive.org/details/quantumoptics0000voge |author=Werner Vogel, Dirk-Gunnar Welsch |pages=pp. 337 |quote=經典的電磁真空只是一種物理態。處於這種物理態，所有的電場和磁場都消失無蹤。 |edition=3rd |authors=Werner Vogel, Dirk-Gunnar Welsch |isbn=3527405070 |publisher=Wiley-VCH |year=2006}}</ref>這經典概念，已被[[量子真空]]（{{lang|en|quantum vacuum}}）的概念所取代。這動作將自由空間與實際真空（量子真空）分離的更遠：[[真空態]]（{{lang|en|vacuum state}}）並不是空蕩蕩的一無所有！量子真空可以簡略地定義為<ref name=Kane>
{{cite book 
|author=Gordon Kane
|title=Supersymmetry: squarks, photinos, and the unveiling of the ultimate laws 
|url=https://archive.org/details/supersymmetryunv00gord
|pages=Appendix A; pp. 149 ff.
|publisher= Perseus Publishers
|location=Cambridge, MA
|year=2000
|isbn= 0738204897}}
</ref>：
{{Quotation|量子真空所描述的區域，是一種處於最低能級態，而且沒有任何真實粒子的區域。}} 

量子真空"決不是一種簡單的空無一物的空間"<ref name=Lambrecht>
{{cite book 
|author=Astrid Lambrecht (Hartmut Figger, Dieter Meschede, Claus Zimmermann Eds.)
|title=Observing mechanical dissipation in the quantum vacuum: an experimental challenge; in''' Laser physics at the limits'''
|url=https://archive.org/details/laserphysicsatli0000unse
|pages=pp. 197
|publisher= Springer
|location=Berlin/New York
|year=2002
|isbn=3540424180}}
</ref>。再重複一遍，"將任何物理真空視為絕對空無一物的空間是個特大的錯誤"<ref name=Ray>
{{cite book 
|author=Christopher Ray
|title=Time, space and philosophy
|url=https://archive.org/details/timespacephiloso0000rayc
|publisher= Routledge
|location=London/New York
|year=1991
|isbn=0415032210
|pages=Chapter 10, pp. 205ff}}
</ref>。根據[[量子力學]]，真空並不是真正的空無所有，而是含有瞬時的[[電磁波]]和[[虛粒子]]突然地出現或消失。從這些短暫的事件，可以觀察到[[卡西米爾效應]]<ref>{{Cite web |url=http://focus.aps.org/story/v2/st28 |title=Physical Review Focus Dec. 1998 |access-date=2009-12-19 |archive-date=2011-09-27 |archive-url=https://web.archive.org/web/20110927072305/http://focus.aps.org/story/v2/st28 }}</ref>、[[自發射]]（{{lang|en|spontaneous emission}}）<ref name=Fain>
{{cite book 
|author=Benjamin Fain
|title=Irreversibilities in quantum mechanics: Fundamental theories of physics v. 113
|publisher= Springer/Kluwer Academic
|location=New York:London
|year=2000
|isbn=079236581X
|pages=§4.4 pp. 113ff}}
</ref>、[[蘭姆位移]]<ref name=Scully2>
{{cite book 
|author=Marian O Scully & Zubairy MS
|title=Quantum Optics
|isbn=0521435951
|year=1997 
|pages=pp. 13-16|publisher=Cambridge University Press 
|location=New York}}
</ref>等等重要的物理現象。對這些問題有濃厚興趣，欲想進一步探索量子真空的各種物理行為的讀者，可以閱讀 {{lang|en|S. Saunders}} 的書《{{lang|en|The philosophy of vacuum}}》<ref name=Saunders>
{{cite book 
|author=S Saunders & HR Brown Eds.)
|title=The philosophy of vacuum
|publisher= Oxford University Press
|location=Oxford UK
|year=1991
|isbn=0198244495}}
</ref>或 {{lang|en|Henning Genz}} 新近發表的書《{{lang|en|Nothingness: the science of empty space}}》<ref name=Genz>
{{cite book 
|author=Henning Genz
|title=Nothingness: the science of empty space
|url=https://archive.org/details/nothingnessscien0000henn
|publisher= Oxford: Perseus
|location=Reading MA
|year=2002
|isbn=0738206105}}
</ref>。

量子真空到底是甚麼？很遺憾地，這最基本的問題，到今天仍舊尚未成定論。物理學家 {{lang|en|Gerald E. Brown}} 這樣說<ref name=Mattuck>{{cite book |author=R. D. Mattuck |title=A Guide to Feynman Diagrams in the Many-Body Problem |url=https://archive.org/details/guidetofeynmandi0000matt_e6n6 |publisher=Courier Dover Publications |edition= reprint of McGraw-Hill 1976 |year=1992 |pages=pp. 1 |isbn=0486670473}} </ref>：
{{quotation|在十八世紀，牛頓力學無法解析三體問題。在大約誕生於 1910 年的廣義相對論和 1930 年的量子電動力學之後，二體問题和一體問題都變得無法解析。現代的量子場理論又發現零體問題（真空）無解。|Gerald E. Brown|Collective Motion and the Application of Many-Body Techniques}}

例如，一個粒子的存在與否，與觀察者的重力態有密切關係<ref name=Cao> {{cite book |title=Conceptual foundations of quantum field theory |author= Tian Yu Cao|pages=pp. 179 |publisher=Cambridge University Press |year=1999 |location=Cambridge UK}}</ref>。這是[[盎魯效應]]的一個重要物理行為。關於量子真空在膨脹宇宙中所扮演的角色，物理學家提出很多推測，請參閱條目[[真空 (宇宙學)]]（{{lang|en|Cosmological constant problem}}）。還有，量子真空會顯示出[[自發對稱性破缺]]<ref name=Woit>
{{cite book 
|author=Peter Woit
|title=Not even wrong: the failure of string theory and the search for unity in physical law
|url=https://archive.org/details/notevenwrongfail00woit
|publisher= Basic Books
|location=New York
|year=2006
|pages=pp. 71ff
|isbn=0465092756}}
</ref>。
{{unsolved|物理學|為何[[真空]]的零點能量不會造成一個大的[[宇宙常數]]？是什麼將它抵銷，而使得宇宙常數接近於零？}} 

==實驗室實現的自由空間==
在這裡，「實現」指的是將「自由空間」這概念[[約化為實習]]（{{lang|en|reduction to practice}}），或實驗具體化，例如，成為實驗室裡製備的「部份真空」。甚麼是自由空間的[[操作定義]]？雖然，從理論而言，與[[絕對零度]]所面對的狀況類似，自由空間是無法達成的，很多國際單位制的單位都是參考自由空間的性質設定的。因此，實驗者必須估計對於實際測量值所需要的修正。例如，對於部分真空的非零壓強所做的修正。對於在實驗室取得關於自由空間的測量值（例如，部分真空），[[國際度量衡委員會]]特別告誡：<ref name=CIPM>[http://physics.nist.gov/Pubs/SP330/sp330.pdf CIPM adopted Recommendation 1 (CI-1983)] {{Wayback|url=http://physics.nist.gov/Pubs/SP330/sp330.pdf |date=20160603215953 }} Appendix 1, p. 77</ref>  

{{quotation|為了要考慮到真實狀況，像繞射、重力或真空的不完美，所有實驗得到的測量值都必須給予精確的修正。}}

實際而言，最新的技術可以在實驗室裡製備出相當好的真空，稱為[[超高真空]]（{{lang|en|ultra high vacuum}}）。到現在為止，對於實驗室裡製備出的真空，可測量到的最低壓強大約為 10<sup>−11</sup> [Pa] ［帕斯卡］<ref name=Rozanov>{{cite book
|author=LM Rozanov & Hablanian, MH
|title=Vacuum technique
 |publisher=Taylor & Francis
|location=London; New York 
|year=2002
|isbn=041527351X
|nopp=true 
|pages=Figure 3.1, pp. 80}}</ref> 。

==外太空實現的自由空間==
虛無縹緲的外太空含有非常稀少的物質。儘管只是部分真空，[[外太空]]的壓強大約為 10&nbsp;[pPa] （1×10<sup>−11</sup>&nbsp;［[[帕斯卡]]］）<ref>{{cite web|url=http://hypertextbook.com/facts/2002/MimiZheng.shtml|last=Zheng|first=MiMi|title=Pressure in Outer Space|work=The Physics Factbook|year=2002|access-date=2009-12-19|archive-date=2021-03-04|archive-url=https://web.archive.org/web/20210304063228/https://hypertextbook.com/facts/2002/MimiZheng.shtml}}</ref>。稍加比較，地球海平面的壓強大約為 101&nbsp;[kPa] （1×10<sup>5</sup>&nbsp;［帕斯卡］）。當然，星際太空的物質分布並不均勻。銀河系的[[氫原子]]密度大約為 1 ［原子／公分<sup>3</sup>］<ref name=Wynn-Williams>{{cite book
|author=Gareth Wynn-Williams
|title=The fullness of space
|url=https://archive.org/details/fullnessofspacen0000wynn
|pages=pp. 38
|publisher=Cambridge University Press
|location=Cambridge UK 
|year=1992 
|isbn=0521426383}}</ref>。宇宙終究會連續膨脹，還是會縮塌？決定這最後命運的臨界密度估計為 3 ［原子／千公升］<ref Name=Weinberg>{{cite book
 |author=Steven Weinberg |edition=2 |title=The First Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe |pages=pp. 34 |isbn=0465024378 |year=1993 |publisher=Basic Books}}</ref>。在外太空的部分真空裏，有稀少的物質（大多是氫原子）、[[宇宙塵]]和[[宇宙線雜訊]]（{{lang|en|cosmic noise}}）。除此以外，還有溫度為 2.725 K 的[[宇宙微波背景輻射]]，意味著[[光子]]密度為 400 ［光子／公分<sup>3</sup>］<ref>{{citation |author=Martin J. Rees |title=Origin of pregalactic microwave background |year=1978 |url=http://www.nature.com/nature/journal/v275/n5675/abs/275035a0.html |journal=[[Nature]] |volume=275 |pages=pp. 35-37 |doi=10.1038/275035a0 |accessdate=2009-12-19 |archive-date=2016-03-05 |archive-url=https://web.archive.org/web/20160305051735/http://www.nature.com/nature/journal/v275/n5675/abs/275035a0.html }}</ref>。

因為[[行星際物質]]和[[星際物質]]的密度超小，在許多應用領域裏，可以將行星際區域和星際區域視為自由空間。這動作所帶入的誤差微乎其微。

==參考文獻==
{{Reflist|2}}

==參閱==
*[[大霹靂理論]]
*[[宇宙學]]
* [[虛粒子]]
* [[狄拉克之海]]
*[[近場和遠場]]（{{lang|en|near and far field}}）
*[[均勻介質]]（{{lang|en|homogeneous media}}）

==外部連結==
*美國國家標準和科技學院網頁：[http://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html 基本物理常數] {{Wayback|url=http://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html |date=20010813140947 }}
*關於自由空間的一篇精采的討論：[http://en.wikipedia.org/wiki/Talk:Free_space] {{Wayback|url=http://en.wikipedia.org/wiki/Talk:Free_space |date=20200802192806 }}

{{DEFAULTSORT:Z}}
{{电磁学}}
[[Category:電磁學]]
[[Category:引力]]

[[en:Vacuum#In electromagnetism]]