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)地敘述了作者創(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)用的實例，計算了太陽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，與實際觀測結(jié)果符合。宇宙真空學(xué)對空間應(yīng)用及行星探測工作有重要的理論和實際指導(dǎo)作用。
人類在地球表面大氣環(huán)境中生存了數(shù)百萬年，人類對真空的認(rèn)知經(jīng)歷了幾千年歷史時期。公元前六世紀(jì)，中國人在冶鐵時采用風(fēng)箱(古稱鞲鞴)鼓風(fēng)技術(shù)提高爐溫。戰(zhàn)國時期的《老子道德經(jīng)》書中說鞲鞴“虛而不屈，動而愈出”，說明風(fēng)箱鼓風(fēng)的過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。但那時沒有說明發(fā)生以上現(xiàn)象的物理原因，也沒有實驗測量和數(shù)學(xué)表達(dá)。歐洲人遇到同樣的問題時，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：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)的活塞被提上來時，在水管的下部留下一段真空空間，周圍的水就會打開水管底部的單向閥門涌入其中填補(bǔ)真空空間，說明大自然不允許存在真空，該觀點統(tǒng)治了1800多年。當(dāng)人們重復(fù)水壓機(jī)汲水動作時，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，于是請科學(xué)家伽里略(Galileo)到現(xiàn)場指導(dǎo)，伽里略親自測量其限制值為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)用實驗驗證。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)把水銀灌滿在長度約1m、一段封口的玻璃管中，倒置在水銀池中，測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。這個實驗得到了三個非常重要的科學(xué)結(jié)論，提高了人們對真空的認(rèn)識：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長的人造真空空間。圖1給出了實驗示意圖。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。
伽利略、托里拆利、瓦里安的實驗測量了大氣壓力并證明用人工技術(shù)可實現(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，附近的大氣就會將它填滿，堅持大自然界不存在真空的論點。上述實驗證實；自然界阻礙在地面形成長久真空的本領(lǐng)是有限的，從此打開了人工真空科學(xué)技術(shù)的大門。1650年德人國葛利克(Otto Von Guericke)和英國人玻義耳(R Boyle)先后發(fā)明抽氣機(jī)以后，使真空的產(chǎn)生變得更加具有實際意義。近四百年來，科學(xué)家充分發(fā)展了真空獲得、測量、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)了人類社會的進(jìn)步。
如果從真空的形成過程和真空科學(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)計手冊(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，在行星重力場作用下大氣分子隨高度的分布律。宇宙真空是開放的、無容器、無邊界的，具有無限容量和無限抽速的天然真空，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)體系的研究對象。追朔歷史，最早發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的是受托里切利實驗的啟發(fā)，法國科學(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)行了一項著名的實驗。他們在山頂和山腳分別測量大氣壓力，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。如果把帕斯卡的實驗結(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，有朝一日總會到達(dá)高遠(yuǎn)的宇宙空間，那里是廣袤無限的真空世界。
時鐘走過了約三個世紀(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年美國用阿波羅飛船把宇航員送上月球。2003年中國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。近年來世界各國相繼開展探測月球、火星、金星、小行星的活動。所有的空間探測器、衛(wèi)星、飛船不僅飛行而且生存在宇宙真空環(huán)境中，長時期與宇宙真空環(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)的真空測量、校準(zhǔn)技術(shù)。并期望借此理論給行星探測活動一些理論指導(dǎo)或者給探測結(jié)果作出合理的解釋和預(yù)測。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、取樣及返回，特別是航天員的出艙活動，必須了解宇宙及行星表面以上的真空或大氣特性。這些問題的回答已經(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，影響氣體分子運動的作用機(jī)理不同，描述它們運動規(guī)律的數(shù)學(xué)方程也不一樣，自然應(yīng)該有兩個不同的真空學(xué)理論。
前日本真空株式會社理事長林主稅在2002年中國真空學(xué)術(shù)年會所作的“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)是宇宙真空時代”的預(yù)言。前中國工程院院長宋健在2004年7月給《真空設(shè)計手冊(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、深空探測都迫切需求關(guān)于宇宙真空的科學(xué)知識和開發(fā)利用以及對付真空的技術(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。
長期以來，科學(xué)家通過天文觀測和航天器探測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)過分析整理得到了許多觀測結(jié)論。迫切需要建立完整的理論體系解釋這些觀測結(jié)論，指導(dǎo)今后宇宙真空的探測工作。該理論體系必須滿足四個條件；理論本身的自洽性，與實際觀測結(jié)果的符合性，和前人理論的一致性以及對新現(xiàn)象的預(yù)見性�；谏鲜龅乃悸�，作者經(jīng)過十多年的思考、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，即沒有任何實物粒子的空間。但在實際使用中，有兩個完全不同的概念；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，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)的實現(xiàn)上沒有嚴(yán)格的差異，只是實現(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中氣體按總能量的分布，并認(rèn)為外場中分子的勢能只是它的質(zhì)心坐標(biāo)的函數(shù)U=U(x，y，z)，像引力場一樣沿Z 軸是均勻的，得到了外場中的玻耳茲曼大氣分子密度分布公式。用該公式計算近地表面大氣密度隨高度分布時，符合性較好。但當(dāng)計算宇宙中行星大氣總分子數(shù)時給出了發(fā)散的結(jié)果，這一問題早被前蘇聯(lián)理論物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者Laudau指出過。
可否利用地面真空科學(xué)技術(shù)理論的拓展延伸來解決這個問題呢?眾所周知，地面真空科學(xué)技術(shù)的研究對象是針對一個有限容積的真空容器中，氣體分子經(jīng)過相互碰撞或和容器碰撞達(dá)到平衡態(tài)時，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)方程計算大氣壓強(qiáng)或總分子數(shù)時出現(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)，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)形成時力的傳媒，沒有真空傳遞物質(zhì)的相互作用力，不會形成大千物質(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，粒子、原子、分子、晶體、非晶體等實物質(zhì)應(yīng)該是由真空加上實物粒子組成的，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。正如《宇宙大設(shè)計》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動時不改變運動途徑的真空狀態(tài)，但作加速運動時使物體內(nèi)部的真空場能量密度流不斷增大，在時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，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場產(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)電動勢的法拉第-楞次定律。正像法拉第定律說明電和磁的聯(lián)系一樣，在真空場中做加速運動的物體產(chǎn)生慣性力，也表明真空場和力之間有普遍聯(lián)系。
14、結(jié)束語
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)行了一些實例的計算，得到了與觀測結(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)域的建立需要一個成長過程。撰寫本文希望引起讀者的興趣，開展交流，得到讀者的批評指正以便完善。
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