１６５４年，科學家葛利克做過一個名垂科學史的實驗。他用銅精製了兩個大半球，並將它們對接密封起來，用他自己發明的抽氣機將球內空氣抽出，用１６匹馬背向對拉兩半球，馬最終竭盡全力才拉開。這表明我們周圍並非什麼都沒有，而是充滿空氣，它對物體施加壓力（球內空氣密度因抽氣遠小地球外的，這導致球外壓力遠大於球內的）。球內經抽氣後的空間叫做真空。
真空其實不空。直至今天，科學家都不能完全排除甚至某一小範圍內的空氣。電視機顯像管需要高真空才能保證圖像清晰，其內真空度達到幾十億分之一個大氣壓，即其內１立方厘米大小的空間有好幾百億個空氣分子。在高能加速器上，為防止加速的基本粒子與管道中的空氣分子碰撞而損失能量，需要管道保持幾億億分之一個大氣壓的超高真空，即使在這樣的空間，１立方厘米內還有近千個空氣分子。太空實驗室是高度真空的，每立方厘米的空間也有幾個空氣分子。
上述以抽出空氣方式得到的真空叫做技術真空，它並不空。科學家稱技術真空的極限，即完全沒有任何實物粒子存在的真空，為“物理真空”。它非但不空，而且極為複雜。按照狄拉克的觀點，它是一個填滿了負能電子的海洋。２０世紀２０年代，英國物理學家狄拉克結合狹義相對論和量子力學，建立了一個描述電子運動的方程。它一方麵十分正確地描述了電子運動，另一方麵又預言了科學家當時尚未認識的負能量電子。自然界一切物體的能量總是正的。高山流水有（正）能量，能衝刷堤岸，推動機器。高速運動電子有（正）能量，能使電視熒光屏發光。電子具有負能量，就意味著加速它時，它反而減速；向左推它時，它向右運動。而且電子總處於放能過程中，如同高山流水總往低處流一樣。電子的能量將越來越負，高山流水最終還隻能流到大海，電子能量則將負至無窮。這意味著一切宏觀的物體均將解體。這顯然是荒謬絕倫的。按照量子力學，兩個電子不能處在完全相同的狀態上，就如一個座位通常隻能坐一人不能坐二人一樣。狄拉克認為，所有負能狀態通常是“滿員”的，被無窮多的負能電子占據。因此，正能電子其實是不能永無止境地發射能量的，其能量甚至不能降至零。這意味著，即使一個沒有任何實物粒子的空間，也是一個充滿無窮多個負能電子的大海。一個負能電子可通過吸收足夠多的能量而轉變為具有正能量的普通電子，爾後在負電子海洋中留下一個空穴，即少了一份負能量和一個負電子，這相當於給了海洋一個帶正電荷和正能量的反電子（或正電子）。１９３２年，美國物理學家安德遜果然找到了它，狄拉克的理論也終為大家所接受。質子和中子也有負能反粒子，物理真空還可分別由它們（負能質子或負能中子）填充。在物理真空中，正、反粒子對可不斷地產生、消失或消失後又產生，它們生存時間短，瞬息萬變，迄今還未觀測到，稱為虛粒子。它們在一定條件下可產生一些物理效應。例如，一個重原子核周圍的虛核子（反質子和反中子）在強電場作用下，會排列起來，出現正負極性，稱為真空極化，這將影響核外電子的分布，導致原子核結構改變。
粒子（如電子）與反粒子（如電子）碰到一起，變成一束光，反之，一束強光也可從物理真空中打出粒子與反粒子。質子與中子等並非終極基本粒子，而是由更基本的“誇克”組成。誇克有六種“味”，即上誇克、下誇克、粲誇克、奇異誇克、頂誇克和底誇克。