宇宙真空學(xué)的發(fā)展
研究了真空科學(xué)技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用的歷史過(guò)程，建立了宇宙真空學(xué)。宇宙真空學(xué)是研究行星表面以上空間大氣分布規(guī)律、行星大氣逃逸理論、航天器周圍的真空環(huán)境特性及宇宙真空測(cè)量理論與技術(shù)、宇宙真空的物理本質(zhì)等的學(xué)科。本文系統(tǒng)地?cái)⑹隽俗髡邉?chuàng)立《宇宙真空學(xué)》的邏輯思維、建立模型的物理概念以及理論推導(dǎo)的數(shù)學(xué)技巧。給出了行星大氣密度分布理論、行星大氣逃逸理論、宇宙真空測(cè)量理論及宇宙真空的物理本質(zhì)等方面的研究結(jié)果。作為理論應(yīng)用的實(shí)例，計(jì)算了太陽(yáng)系行星的大氣密度分布，地球、金星、火星、月球大氣的總質(zhì)量及大氣逃逸壽命，月球、火星表面水存在可能性的理論分析，與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果符合。宇宙真空學(xué)對(duì)空間應(yīng)用及行星探測(cè)工作有重要的理論和實(shí)際指導(dǎo)作用。
人類在地球表面大氣環(huán)境中生存了數(shù)百萬(wàn)年，人類對(duì)真空的認(rèn)知經(jīng)歷了幾千年歷史時(shí)期。公元前六世紀(jì)，中國(guó)人在冶鐵時(shí)采用風(fēng)箱(古稱鞲鞴)鼓風(fēng)技術(shù)提高爐溫。戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的《老子道德經(jīng)》書中說(shuō)鞲鞴“虛而不屈，動(dòng)而愈出”，說(shuō)明風(fēng)箱鼓風(fēng)的過(guò)程是利用了低真空和環(huán)境大氣之間的壓力差產(chǎn)生吸氣的原理。到了16世紀(jì)歐洲人才發(fā)明了風(fēng)箱。公元五世紀(jì)晉朝醫(yī)生葛洪在《肘后備急方》書中介紹了“拔火罐”治病的方法。使用燃燒的火焰把罐中的氣體加熱膨脹趕出，火焰熄滅后再冷卻形成真空，利用大氣壓力使火罐被吸附在皮膚上，這些技術(shù)至今仍在使用。但那時(shí)沒有說(shuō)明發(fā)生以上現(xiàn)象的物理原因，也沒有實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)學(xué)表達(dá)。歐洲人遇到同樣的問(wèn)題時(shí)，形成了以古希臘哲學(xué)家亞里斯多德(Aristoteles，公元前384-322)為代表的觀點(diǎn)：大自然界不存在真空，其格言是“大自然厭惡真空”。16世紀(jì)羅馬人用水壓機(jī)抽汲礦井中的水，當(dāng)水壓機(jī)的活塞被提上來(lái)時(shí)，在水管的下部留下一段真空空間，周圍的水就會(huì)打開水管底部的單向閥門涌入其中填補(bǔ)真空空間，說(shuō)明大自然不允許存在真空，該觀點(diǎn)統(tǒng)治了1800多年。當(dāng)人們重復(fù)水壓機(jī)汲水動(dòng)作時(shí)，管內(nèi)水位不斷提高，直到水從出口溢出。直到17世紀(jì)發(fā)現(xiàn)提升水位的高度有限制，于是請(qǐng)科學(xué)家伽里略(Galileo)到現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，伽里略親自測(cè)量其限制值為10m：伽里略分析后認(rèn)為：由于汲水管插入水池和大氣連通，汲水高度和大氣重量產(chǎn)生的壓力有關(guān)。於是，讓他的學(xué)生托里切利(Torricelli)用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。托里切利想到了用比重為13.6g/cm3的水銀替代水，10m水柱的高度可降為760mm。1643年，他的同學(xué)瓦里安(Viviani)把水銀灌滿在長(zhǎng)度約1m、一段封口的玻璃管中，倒置在水銀池中，測(cè)得大氣壓力等于垂直高度為760mm水銀柱的重量產(chǎn)生的靜壓力。這個(gè)實(shí)驗(yàn)得到了三個(gè)非常重要的科學(xué)結(jié)論，提高了人們對(duì)真空的認(rèn)識(shí)：①大氣壓力是由大氣重量產(chǎn)生的；②地球表面的大氣壓力值等于760mm 高汞柱的靜壓力；③在玻璃管封閉端水銀面的上面形成了約240mm長(zhǎng)的人造真空空間。圖1給出了實(shí)驗(yàn)示意圖。此后，人們開始接受在把環(huán)境大氣隔離的條件下可以人工獲得真空的事實(shí)。
伽利略、托里拆利、瓦里安的實(shí)驗(yàn)測(cè)量了大氣壓力并證明用人工技術(shù)可實(shí)現(xiàn)真空。此前，阿里斯多德、笛卡爾都認(rèn)為自然界不可能存在真空，任何真空一經(jīng)獲得，附近的大氣就會(huì)將它填滿，堅(jiān)持大自然界不存在真空的論點(diǎn)。上述實(shí)驗(yàn)證實(shí)；自然界阻礙在地面形成長(zhǎng)久真空的本領(lǐng)是有限的，從此打開了人工真空科學(xué)技術(shù)的大門。1650年德人國(guó)葛利克(Otto Von Guericke)和英國(guó)人玻義耳(R Boyle)先后發(fā)明抽氣機(jī)以后，使真空的產(chǎn)生變得更加具有實(shí)際意義。近四百年來(lái)，科學(xué)家充分發(fā)展了真空獲得、測(cè)量、檢漏、工程及應(yīng)用技術(shù)，研究不同稀薄程度的大氣如何影響熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)特性等，使真空科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步達(dá)到近于完美的地步，地面真空科學(xué)技術(shù)從獲得、測(cè)量、應(yīng)用等方面形成了完整系統(tǒng)的真空科學(xué)技術(shù)體系，廣泛應(yīng)用到人類社會(huì)生產(chǎn)、科研、生活的諸多領(lǐng)域。人類發(fā)現(xiàn)了人工真空環(huán)境，發(fā)展了人工地面真空科學(xué)技術(shù)，真空科學(xué)技術(shù)回報(bào)了人類，人類生存離不開真空科學(xué)技術(shù)，真空科學(xué)技術(shù)極大地推進(jìn)了人類社會(huì)的進(jìn)步。
如果從真空的形成過(guò)程和真空科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用范圍出發(fā)，到目前為止人們主要研究了在行星表面大氣環(huán)境下，用技術(shù)手段在密封容器內(nèi)獲得及應(yīng)用真空的科學(xué)技術(shù)。密封容器內(nèi)氣體的壓力主要由氣體分子動(dòng)量變化產(chǎn)生，大氣重量產(chǎn)生的壓力可以忽略。氣體分子密度和溫度在空間和時(shí)間上是均勻分布的，容器內(nèi)的稀薄氣體處于平衡態(tài)，遵守理想氣體狀態(tài)方程，可總稱為人工真空科學(xué)技術(shù)，該部分主要技術(shù)內(nèi)容已被歸納、整理、匯編在由作者主編的《真空設(shè)計(jì)手冊(cè)(第3版)》里。
宇宙真空學(xué)研究的是行星表面以上的宇宙真空環(huán)境，在行星重力場(chǎng)作用下大氣分子隨高度的分布律。宇宙真空是開放的、無(wú)容器、無(wú)邊界的，具有無(wú)限容量和無(wú)限抽速的天然真空，大氣分子處于非平衡態(tài)，完全不同于地面真空科學(xué)技術(shù)體系的研究對(duì)象。追朔歷史，最早發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的是受托里切利實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，法國(guó)科學(xué)家帕斯卡(Pascal)在1647年9月16日和皮埃爾(Perier，帕斯卡的姻兄)在克萊蒙佛朗(Clermont-Farrand)附近的多姆山進(jìn)行了一項(xiàng)著名的實(shí)驗(yàn)。他們?cè)谏巾敽蜕侥_分別測(cè)量大氣壓力，發(fā)現(xiàn)大氣壓力僅隨離地面高度的增加而減小，并發(fā)現(xiàn)大氣壓力表現(xiàn)為各向同性。如果把帕斯卡的實(shí)驗(yàn)結(jié)論外推到宇宙空間，就可得出宇宙空間處于天然的真空狀態(tài)。這一結(jié)果預(yù)示了隨著人類能力的增長(zhǎng)，有朝一日總會(huì)到達(dá)高遠(yuǎn)的宇宙空間，那里是廣袤無(wú)限的真空世界。
時(shí)鐘走過(guò)了約三個(gè)世紀(jì)，20世紀(jì)中期人們發(fā)明了火箭技術(shù)，1957年蘇聯(lián)用多級(jí)火箭把第一顆人造地球衛(wèi)星送入地球軌道，1959年加加林駕駛宇宙飛船進(jìn)入宇宙空間。1969年美國(guó)用阿波羅飛船把宇航員送上月球。2003年中國(guó)把宇航員送到地球軌道并安全返回，人類具有進(jìn)入宇宙太空的能力。近年來(lái)世界各國(guó)相繼開展探測(cè)月球、火星、金星、小行星的活動(dòng)。所有的空間探測(cè)器、衛(wèi)星、飛船不僅飛行而且生存在宇宙真空環(huán)境中，長(zhǎng)時(shí)期與宇宙真空環(huán)境發(fā)生相互作用，影響航天器的工作性能、可靠性及壽命。當(dāng)火箭上升時(shí)與大氣層摩擦發(fā)熱，需加防護(hù)罩。航天器繞地球軌道飛行時(shí)遇到大氣阻力，使軌道不斷降低，影響航天器壽命。航天器返回地面再入大氣層產(chǎn)生的熱量，使航天器溫度升高，并使航天器周圍大氣分子電離為等離子體，出現(xiàn)黑 現(xiàn)象等。迫切需要弄清從行星表面向上一直到行星際、星系間大氣密度空間分布以及隨時(shí)間的演變規(guī)律、在軌飛行航天器周圍氣體分子分布狀態(tài)以及與此相關(guān)的真空測(cè)量、校準(zhǔn)技術(shù)。并期望借此理論給行星探測(cè)活動(dòng)一些理論指導(dǎo)或者給探測(cè)結(jié)果作出合理的解釋和預(yù)測(cè)。例如，月球表面為何處于極高真空狀態(tài)?火星表面為何沒有液態(tài)水存在?如果航天器在行星表面降落、著陸、巡航、勘測(cè)、取樣及返回，特別是航天員的出艙活動(dòng)，必須了解宇宙及行星表面以上的真空或大氣特性。這些問(wèn)題的回答已經(jīng)超出了地面人工真空科學(xué)技術(shù)的領(lǐng)域，必須建立新的《宇宙真空學(xué)》理論。在自然界中，人們不僅可以制造出人工真空環(huán)境，而且可以利用天然真空環(huán)境。兩種不同類型的真空環(huán)境，影響氣體分子運(yùn)動(dòng)的作用機(jī)理不同，描述它們運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)方程也不一樣，自然應(yīng)該有兩個(gè)不同的真空學(xué)理論。
前日本真空株式會(huì)社理事長(zhǎng)林主稅在2002年中國(guó)真空學(xué)術(shù)年會(huì)所作的“21世紀(jì)真空科學(xué)技術(shù)展望”中提出了“21世紀(jì)的真空科學(xué)技術(shù)是宇宙真空時(shí)代”的預(yù)言。前中國(guó)工程院院長(zhǎng)宋健在2004年7月給《真空設(shè)計(jì)手冊(cè)(第3版)》寫的序言中指出，“20世紀(jì)下半葉，人類航天事業(yè)的出現(xiàn)，衛(wèi)星、飛船、登月、深空探測(cè)都迫切需求關(guān)于宇宙真空的科學(xué)知識(shí)和開發(fā)利用以及對(duì)付真空的技術(shù)。”因此，深入系統(tǒng)地研究宇宙真空特性的任務(wù)擺在了真空科學(xué)技術(shù)工作者的面前。
長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家通過(guò)天文觀測(cè)和航天器探測(cè)得到了大量的行星大氣特性的數(shù)據(jù)，拍攝了大量的照片，經(jīng)過(guò)分析整理得到了許多觀測(cè)結(jié)論。迫切需要建立完整的理論體系解釋這些觀測(cè)結(jié)論，指導(dǎo)今后宇宙真空的探測(cè)工作。該理論體系必須滿足四個(gè)條件；理論本身的自洽性，與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果的符合性，和前人理論的一致性以及對(duì)新現(xiàn)象的預(yù)見性�；谏鲜龅乃悸罚髡呓�(jīng)過(guò)十多年的思考、研究，建立了宇宙真空學(xué)的理論體系，內(nèi)容包括：行星際大氣密度分布律，行星大氣組分分布律，行星大氣壓力分布公式，行星大氣逃逸方程，行星大氣壽命、行星表面水汽存在的壽命、行星表面冰存在的壽命等數(shù)學(xué)表達(dá)式，在軌航天器周圍真空環(huán)境以及宇宙真空測(cè)量的理論與技術(shù)，宇宙真空的物理本質(zhì)等，形成了較完整的宇宙真空學(xué)的理論體系。
1、宇宙真空學(xué)的概念和內(nèi)涵
真空的本意是虛空，即沒有任何實(shí)物粒子的空間。但在實(shí)際使用中，有兩個(gè)完全不同的概念；一是低于周圍環(huán)境大氣壓力的空間。由于在地面上不能自然生成真空，但可以利用人工技術(shù)獲得人造真空環(huán)境，使密封容器中的大氣壓力低于周圍環(huán)境大氣壓力，稱為工程技術(shù)真空。二是物理真空或者宇宙真空，按照現(xiàn)代物理學(xué)的認(rèn)識(shí)，物理真空是量子系統(tǒng)能量最低的能態(tài)(基態(tài))。兩種不同的真空概念在工程技術(shù)的實(shí)現(xiàn)上沒有嚴(yán)格的差異，只是實(shí)現(xiàn)的程度和難易不同。到目前為止，人們用人工技術(shù)獲得了10-11 Pa的極高真空度，大氣分子密度約104cm-3。人類進(jìn)入宇宙空間后發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離地球的空間，大氣密度更低，存在著沒有實(shí)物粒子的局域物理真空環(huán)境。
宇宙空間大氣密度分布如何用數(shù)學(xué)表達(dá)呢?1859年麥克斯韋研究了氣體分子按動(dòng)量和坐標(biāo)在相空間的分布后，推導(dǎo)出了麥克斯韋速度分布公式。玻耳茲曼研究了處于外場(chǎng)中氣體按總能量的分布，并認(rèn)為外場(chǎng)中分子的勢(shì)能只是它的質(zhì)心坐標(biāo)的函數(shù)U=U(x，y，z)，像引力場(chǎng)一樣沿Z 軸是均勻的，得到了外場(chǎng)中的玻耳茲曼大氣分子密度分布公式。用該公式計(jì)算近地表面大氣密度隨高度分布時(shí)，符合性較好。但當(dāng)計(jì)算宇宙中行星大氣總分子數(shù)時(shí)給出了發(fā)散的結(jié)果，這一問(wèn)題早被前蘇聯(lián)理論物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Laudau指出過(guò)。
可否利用地面真空科學(xué)技術(shù)理論的拓展延伸來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題呢?眾所周知，地面真空科學(xué)技術(shù)的研究對(duì)象是針對(duì)一個(gè)有限容積的真空容器中，氣體分子經(jīng)過(guò)相互碰撞或和容器碰撞達(dá)到平衡態(tài)時(shí)，采用有限抽速和抽氣量的真空機(jī)組產(chǎn)生人造真空環(huán)境的理論，忽略了重力場(chǎng)的作用，氣體分子不能逃出容器，用氣體分子處于平衡態(tài)時(shí)狀態(tài)方程p=nKT 表達(dá)氣體壓力是足夠精確的。而宇宙真空環(huán)境是開放的、氣體分子在行星引力場(chǎng)的約束下處于緩慢變化的非平衡態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)。顯然，在宇宙真空中，由于容積無(wú)限且不能忽略行星引力和氣體的逃逸，用流體靜力學(xué)方程計(jì)算大氣壓強(qiáng)或總分子數(shù)時(shí)出現(xiàn)了發(fā)散，與狀態(tài)方程是不相容的，要解決這一難題必須另辟蹊徑。
13、宇宙真空的物理本質(zhì)
宇宙真空不是空虛的幾何真空，它充滿了物質(zhì)或能量(未被激發(fā)的場(chǎng))，宇宙真空是物質(zhì)真空。真空有其物理特征，例如真空有不為零的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，真空有抗色性等。真空能傳遞物質(zhì)相互作用的四種力，引力、電磁力、強(qiáng)作力、弱作用力。真空是物質(zhì)形成時(shí)力的傳媒，沒有真空傳遞物質(zhì)的相互作用力，不會(huì)形成大千物質(zhì)世界，因而真空是物質(zhì)生成的必要且充分條件。換句話說(shuō)，粒子、原子、分子、晶體、非晶體等實(shí)物質(zhì)應(yīng)該是由真空加上實(shí)物粒子組成的，例如，原子是由原子核(質(zhì)子+中子)、核外電子加真空組成的，依此類推，分子是由原子加真空組成的，晶體是由原子(分子)加真空組成的，總之只有物質(zhì)加真空才能構(gòu)成了完整的、封閉的系統(tǒng)，真空是組成物質(zhì)的基本要素。
宇宙也是由物質(zhì)加真空構(gòu)成的。由于真空中的物質(zhì)是有限的，所以，宇宙也是有限的，但宇宙可以不止一個(gè)。正如《宇宙大設(shè)計(jì)》一書中霍金方程給出的方程解數(shù)一樣，宇宙之間的幾何空間是連續(xù)的，而真空空間是斷開的。
物體靜止或作勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)不改變運(yùn)動(dòng)途徑的真空狀態(tài)，但作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)使物體內(nèi)部的真空?qǐng)瞿芰棵芏攘鞑粩嘣龃�，在時(shí)間維度上壓縮物體內(nèi)部能量密度，從而形成壓縮能。當(dāng)物體離開時(shí)，壓縮能被釋放，因而產(chǎn)生反作用力，該力就是被加速系里的物體感受到的慣性力，慣性力也可能是真空?qǐng)霎a(chǎn)生的反作用力。該現(xiàn)象類似于閉合回路中由于磁通量的變化而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的法拉第-楞次定律。正像法拉第定律說(shuō)明電和磁的聯(lián)系一樣，在真空?qǐng)鲋凶黾铀龠\(yùn)動(dòng)的物體產(chǎn)生慣性力，也表明真空?qǐng)龊土χg有普遍聯(lián)系。
14、結(jié)束語(yǔ)
本文綜述了作者創(chuàng)立宇宙真空學(xué)的哲學(xué)思考和物理概念，建立的理論和方程的邏輯思維，推導(dǎo)公式的數(shù)學(xué)技巧。討論了理論的正確性和自洽性，進(jìn)行了一些實(shí)例的計(jì)算，得到了與觀測(cè)結(jié)果符合的數(shù)據(jù)，給出了一些新的結(jié)論。新學(xué)科領(lǐng)域的建立需要一個(gè)成長(zhǎng)過(guò)程。撰寫本文希望引起讀者的興趣，開展交流，得到讀者的批評(píng)指正以便完善。
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