2026年5月16日，在中国科学院等离子体物理研究所（中国真空学会科普教育基地、安徽省真空学会科普基地）互动区，四组实验装置依次排开，台前渐渐排起了长队。小朋友们踮起脚尖往前张望，大人们也忍不住探头——到底是什么实验，让这里欢声笑语不断？让我们走近看看。

鼓与瘪之间，谁在推与拉？

透明的密封容器内，放着一个拧紧瓶盖的空矿泉水瓶。志愿者启动真空泵，容器内的空气被缓缓抽出。令人惊讶的是，矿泉水瓶没有像人们直觉以为的那样被“吸瘪”，反而慢慢鼓胀起来，瓶身变得饱满而坚硬。接着，志愿者打开进气阀，让外界空气重新缓慢流入容器，鼓胀的瓶壁开始回缩，最终恢复原状。

瓶子的鼓与瘪之间，是压强差这只看不见的大手在“推拉”。瓶内原本充满标准大气压的空气。当外部容器被抽成低压后，瓶内气压高于瓶外，压强差推动瓶壁向外膨胀，这便是“压力差对容器壁产生作用力”的直观体现。瓶内较高的气压对瓶壁有更大的推力，从而将瓶壁向外推胀。而当外界空气重新注入，容器内气压回升，内外压强差逐渐缩小直至消失，瓶内气压不再高于外部，瓶壁便安然回缩——仿佛什么都没有发生过。

把时间封住，谁在守护它？

第二台装置是一台小型家用真空封口机。机器启动后，袋内空气被快速抽出，热封条随即熔合袋口。抽去空气的塑料袋紧紧贴合住内部的物品，形成一件真空密封的纪念品。这正是食品真空包装的原理。抽走空气后，需氧微生物因缺氧而无法生存；与此同时，油脂氧化、色素褪变、维生素损失等化学反应也大幅减缓。于是，食品的保质期被悄然拉长，风味和营养得以更好地封存。

这一个小实验与第一组实验构成有趣的对照：第一组实验是在塑料瓶外制造低压，让瓶内高压气体向外“推”；而真空封口机则是直接抽出袋内气体，在袋内制造低压，然后封住袋口。封装完成后，外部大气压持续挤压袋壁，将物品牢牢压合在内。

分不开的半球，谁在压紧它？

马德堡半球实验区前，总能听见此起彼伏的“加油”声。原来是志愿者将两个透明半球合拢，通过真空泵抽走内部空气，小朋友们正尝试从两侧用力拉拽将这两个半球分开。孩子们使尽力气，半球仍纹丝不动。直到志愿者打开气阀，“噗”的一声，空气涌入内部。这时，只需轻轻一拉，半球便被轻松分开了。

没能拉开半球，小朋友们无需懊恼——此刻，正有一个看不见的大力士，用无形的手掌将两个半球牢牢压在一起。早在1654年，德国马德堡市长奥托·冯·格里克（Otto von Guericke）就让世人领教过这位大力士的威力。他制作了两个直径约37厘米的铜质半球，合拢后抽空内部空气，然后各用8匹马从两侧拉拽——16匹骏马一齐发力，半球仍纹丝不动。直到他打开气阀，让空气涌回球内，半球才分离开来。

马德堡半球实验是人类历史上第一次以直观方式证明大气压存在的里程碑。它揭示了大气压的巨大力量——看似无形，却足以产生数百公斤乃至数吨的压力。这一著名实验推开了真空科学研究的大门，也为后世真空技术的应用奠定了基石。

水往高处走，谁是搬运工？

第四台装置是一个透明的手压式活塞泵。按动手柄，水便从下方被“吸”上来，从上方出口流出。马德堡半球实验已经证明，大气压是一股强大的力量，手压泵则展示了人类如何利用这股力量为自己服务。

手压泵的巧妙之处在两个单向阀门。它们一开一关，借助大气压，形成源源不断的水流。整个过程可以从“吸水”和“排水”两个步骤来理解。当手柄下压，通过杠杆带动活塞上移，活塞下方腔体容积增大，气压降低。此时，进水阀被下方水槽的大气压顶开，水被压入腔内；而出水阀则被上方水压关闭，防止水倒流。当手柄上抬，活塞下移，挤压下方腔体。巨大的压力将进水阀关闭，同时顶开出水阀，将水压入上方管路并排出。如此往复，两个阀门一开一关，大气压便被驯服为稳定的“搬运工”。

从无形之力到极限真空

上述四个实验让公众见证了气压差驱动现象的神奇。而在EAST装置中，人类对大气压与真空的驾驭，进一步被推向极致。

EAST的核心是一个环形真空容器——放电真空室。真空室呈“D”形截面、双层壳体结构，由不锈钢材料制造。它不仅要承受等离子体破裂时产生的巨大电磁力，还要耐受高温烘烤，以清除器壁吸附的杂质。这里是上亿摄氏度等离子体发生聚变反应的场所。等离子体对杂质气体极其敏感，任何残留的空气分子都会在高温下电离并产生辐射，会快速消耗等离子体能量，诱发多种不稳定性，导致聚变反应难以维持。因此，在等离子体放电之前，必须将EAST内部抽至超高真空，其极限真空度可达10-6Pa量级。这相当于把标准大气压“稀释”到原来的一千亿分之一。在这样的真空环境中，残留气体分子的稀疏程度，甚至超过了近地轨道的外太空。

为实现这一量级的超高真空，EAST的内真空室抽气系统采用了分子泵与低温泵的混合抽气模式，整套系统包含6台分子泵、14台外置低温泵和2套内置低温泵。其作用与手压泵的活塞原理相同：将容器内部的气体分子持续“搬运”到外部，创造并维持一个洁净的低压环境。只不过在这里，“活塞”变成了高速旋转的分子泵叶轮和通过极低温冷凝气体的低温泵，其抽气速度和效率远非手动装置可比。

EAST积累的真空技术经验，正为下一代聚变装置的研制提供重要支撑。聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT，又称“夸父”）是“十三五”国家重大科技基础设施，其核心部件——八分之一真空室及总体安装系统已于2025年3月通过专家组测试与验收。该系统主体平台为D型截面双层壳体结构，总高20米，D型截面高11米，最大环向直径19.5米，真空室壳体采用50毫米厚的超低碳不锈钢材料，重295吨。从预研到正式建成，八分之一真空室的研制历时十年攻关，团队构建了高载荷、强磁场、强辐照等极端工况的设计与标准体系，掌握了大型双曲面壳体精密成型、复杂密集焊缝微变形焊接、在线自动化无损检测等关键技术，形成了40余项发明专利。

结语

从马德堡半球的铜球，到EAST数十立方米的钢铁真空室；从手压泵中上下往复的小小活塞，到分子泵里每分钟数万转的高速叶轮——对“空”的驾驭，贯穿着人类从认识世界到改造世界的漫长征途。这看似一无所有的“空”，正助力人类追逐那最炽热的能源梦想——那轮冉冉升起的“人造太阳”。

编辑：唐丽婷、黄明

校对：蔡其敏 

审核：左桂忠

支持鸣谢：中国科学院合肥物质院等离子体物理研究所、中国真空学会科普教育基地