宇宙真空学的发展

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:达道安

  研究了真空科学技术发展及应用的历史过程,建立了宇宙真空学。宇宙真空学是研究行星表面以上空间大气分布规律、行星大气逃逸理论、航天器周围的真空环境特性及宇宙真空测量理论与技术、宇宙真空的物理本质等的学科。本文系统地叙述了作者创立《宇宙真空学》的逻辑思维、建立模型的物理概念以及理论推导的数学技巧。给出了行星大气密度分布理论、行星大气逃逸理论、宇宙真空测量理论及宇宙真空的物理本质等方面的研究结果。作为理论应用的实例,计算了太阳系行星的大气密度分布,地球、金星、火星、月球大气的总质量及大气逃逸寿命,月球、火星表面水存在可能性的理论分析,与实际观测结果符合。宇宙真空学对空间应用及行星探测工作有重要的理论和实际指导作用。

  人类在地球表面大气环境中生存了数百万年,人类对真空的认知经历了几千年历史时期。公元前六世纪,中国人在冶铁时采用风箱(古称鞲鞴)鼓风技术提高炉温。战国时期的《老子道德经》书中说鞲鞴“虚而不屈,动而愈出”,说明风箱鼓风的过程是利用了低真空和环境大气之间的压力差产生吸气的原理。到了16世纪欧洲人才发明了风箱。公元五世纪晋朝医生葛洪在《肘后备急方》书中介绍了“拔火罐”治病的方法。使用燃烧的火焰把罐中的气体加热膨胀赶出,火焰熄灭后再冷却形成真空,利用大气压力使火罐被吸附在皮肤上,这些技术至今仍在使用。但那时没有说明发生以上现象的物理原因,也没有实验测量和数学表达。欧洲人遇到同样的问题时,形成了以古希腊哲学家亚里斯多德(Aristoteles,公元前384-322)为代表的观点:大自然界不存在真空,其格言是“大自然厌恶真空”。16世纪罗马人用水压机抽汲矿井中的水,当水压机的活塞被提上来时,在水管的下部留下一段真空空间,周围的水就会打开水管底部的单向阀门涌入其中填补真空空间,说明大自然不允许存在真空,该观点统治了1800多年。当人们重复水压机汲水动作时,管内水位不断提高,直到水从出口溢出。直到17世纪发现提升水位的高度有限制,于是请科学家伽里略(Galileo)到现场指导,伽里略亲自测量其限制值为10m:伽里略分析后认为:由于汲水管插入水池和大气连通,汲水高度和大气重量产生的压力有关。於是,让他的学生托里切利(Torricelli)用实验验证。托里切利想到了用比重为13.6g/cm3的水银替代水,10m水柱的高度可降为760mm。1643年,他的同学瓦里安(Viviani)把水银灌满在长度约1m、一段封口的玻璃管中,倒置在水银池中,测得大气压力等于垂直高度为760mm水银柱的重量产生的静压力。这个实验得到了三个非常重要的科学结论,提高了人们对真空的认识:①大气压力是由大气重量产生的;②地球表面的大气压力值等于760mm 高汞柱的静压力;③在玻璃管封闭端水银面的上面形成了约240mm长的人造真空空间。图1给出了实验示意图。此后,人们开始接受在把环境大气隔离的条件下可以人工获得真空的事实。

  伽利略、托里拆利、瓦里安的实验测量了大气压力并证明用人工技术可实现真空。此前,阿里斯多德、笛卡尔都认为自然界不可能存在真空,任何真空一经获得,附近的大气就会将它填满,坚持大自然界不存在真空的论点。上述实验证实;自然界阻碍在地面形成长久真空的本领是有限的,从此打开了人工真空科学技术的大门。1650年德人国葛利克(Otto Von Guericke)和英国人玻义耳(R Boyle)先后发明抽气机以后,使真空的产生变得更加具有实际意义。近四百年来,科学家充分发展了真空获得、测量、检漏、工程及应用技术,研究不同稀薄程度的大气如何影响热学、光学、声学、电磁学、化学、生命科学特性等,使真空科学技术的进步达到近于完美的地步,地面真空科学技术从获得、测量、应用等方面形成了完整系统的真空科学技术体系,广泛应用到人类社会生产、科研、生活的诸多领域。人类发现了人工真空环境,发展了人工地面真空科学技术,真空科学技术回报了人类,人类生存离不开真空科学技术,真空科学技术极大地推进了人类社会的进步。

  如果从真空的形成过程和真空科学技术的应用范围出发,到目前为止人们主要研究了在行星表面大气环境下,用技术手段在密封容器内获得及应用真空的科学技术。密封容器内气体的压力主要由气体分子动量变化产生,大气重量产生的压力可以忽略。气体分子密度和温度在空间和时间上是均匀分布的,容器内的稀薄气体处于平衡态,遵守理想气体状态方程,可总称为人工真空科学技术,该部分主要技术内容已被归纳、整理、汇编在由作者主编的《真空设计手册(第3版)》里。

  宇宙真空学研究的是行星表面以上的宇宙真空环境,在行星重力场作用下大气分子随高度的分布律。宇宙真空是开放的、无容器、无边界的,具有无限容量和无限抽速的天然真空,大气分子处于非平衡态,完全不同于地面真空科学技术体系的研究对象。追朔历史,最早发现这一现象的是受托里切利实验的启发,法国科学家帕斯卡(Pascal)在1647年9月16日和皮埃尔(Perier,帕斯卡的姻兄)在克莱蒙佛朗(Clermont-Farrand)附近的多姆山进行了一项著名的实验。他们在山顶和山脚分别测量大气压力,发现大气压力仅随离地面高度的增加而减小,并发现大气压力表现为各向同性。如果把帕斯卡的实验结论外推到宇宙空间,就可得出宇宙空间处于天然的真空状态。这一结果预示了随着人类能力的增长,有朝一日总会到达高远的宇宙空间,那里是广袤无限的真空世界。

  时钟走过了约三个世纪,20世纪中期人们发明了火箭技术,1957年苏联用多级火箭把第一颗人造地球卫星送入地球轨道,1959年加加林驾驶宇宙飞船进入宇宙空间。1969年美国用阿波罗飞船把宇航员送上月球。2003年中国把宇航员送到地球轨道并安全返回,人类具有进入宇宙太空的能力。近年来世界各国相继开展探测月球、火星、金星、小行星的活动。所有的空间探测器、卫星、飞船不仅飞行而且生存在宇宙真空环境中,长时期与宇宙真空环境发生相互作用,影响航天器的工作性能、可靠性及寿命。当火箭上升时与大气层摩擦发热,需加防护罩。航天器绕地球轨道飞行时遇到大气阻力,使轨道不断降低,影响航天器寿命。航天器返回地面再入大气层产生的热量,使航天器温度升高,并使航天器周围大气分子电离为等离子体,出现黑 现象等。迫切需要弄清从行星表面向上一直到行星际、星系间大气密度空间分布以及随时间的演变规律、在轨飞行航天器周围气体分子分布状态以及与此相关的真空测量、校准技术。并期望借此理论给行星探测活动一些理论指导或者给探测结果作出合理的解释和预测。例如,月球表面为何处于极高真空状态?火星表面为何没有液态水存在?如果航天器在行星表面降落、着陆、巡航、勘测、取样及返回,特别是航天员的出舱活动,必须了解宇宙及行星表面以上的真空或大气特性。这些问题的回答已经超出了地面人工真空科学技术的领域,必须建立新的《宇宙真空学》理论。在自然界中,人们不仅可以制造出人工真空环境,而且可以利用天然真空环境。两种不同类型的真空环境,影响气体分子运动的作用机理不同,描述它们运动规律的数学方程也不一样,自然应该有两个不同的真空学理论。

  前日本真空株式会社理事长林主税在2002年中国真空学术年会所作的“21世纪真空科学技术展望”中提出了“21世纪的真空科学技术是宇宙真空时代”的预言。前中国工程院院长宋健在2004年7月给《真空设计手册(第3版)》写的序言中指出,“20世纪下半叶,人类航天事业的出现,卫星、飞船、登月、深空探测都迫切需求关于宇宙真空的科学知识和开发利用以及对付真空的技术。”因此,深入系统地研究宇宙真空特性的任务摆在了真空科学技术工作者的面前。

  长期以来,科学家通过天文观测和航天器探测得到了大量的行星大气特性的数据,拍摄了大量的照片,经过分析整理得到了许多观测结论。迫切需要建立完整的理论体系解释这些观测结论,指导今后宇宙真空的探测工作。该理论体系必须满足四个条件;理论本身的自洽性,与实际观测结果的符合性,和前人理论的一致性以及对新现象的预见性。基于上述的思路,作者经过十多年的思考、研究,建立了宇宙真空学的理论体系,内容包括:行星际大气密度分布律,行星大气组分分布律,行星大气压力分布公式,行星大气逃逸方程,行星大气寿命、行星表面水汽存在的寿命、行星表面冰存在的寿命等数学表达式,在轨航天器周围真空环境以及宇宙真空测量的理论与技术,宇宙真空的物理本质等,形成了较完整的宇宙真空学的理论体系。

  1、宇宙真空学的概念和内涵

  真空的本意是虚空,即没有任何实物粒子的空间。但在实际使用中,有两个完全不同的概念;一是低于周围环境大气压力的空间。由于在地面上不能自然生成真空,但可以利用人工技术获得人造真空环境,使密封容器中的大气压力低于周围环境大气压力,称为工程技术真空。二是物理真空或者宇宙真空,按照现代物理学的认识,物理真空是量子系统能量最低的能态(基态)。两种不同的真空概念在工程技术的实现上没有严格的差异,只是实现的程度和难易不同。到目前为止,人们用人工技术获得了10-11 Pa的极高真空度,大气分子密度约104cm-3。人类进入宇宙空间后发现远离地球的空间,大气密度更低,存在着没有实物粒子的局域物理真空环境。

  宇宙空间大气密度分布如何用数学表达呢?1859年麦克斯韦研究了气体分子按动量和坐标在相空间的分布后,推导出了麦克斯韦速度分布公式。玻耳兹曼研究了处于外场中气体按总能量的分布,并认为外场中分子的势能只是它的质心坐标的函数U=U(x,y,z),像引力场一样沿Z 轴是均匀的,得到了外场中的玻耳兹曼大气分子密度分布公式。用该公式计算近地表面大气密度随高度分布时,符合性较好。但当计算宇宙中行星大气总分子数时给出了发散的结果,这一问题早被前苏联理论物理学家、诺贝尔奖获得者Laudau指出过。

  可否利用地面真空科学技术理论的拓展延伸来解决这个问题呢?众所周知,地面真空科学技术的研究对象是针对一个有限容积的真空容器中,气体分子经过相互碰撞或和容器碰撞达到平衡态时,采用有限抽速和抽气量的真空机组产生人造真空环境的理论,忽略了重力场的作用,气体分子不能逃出容器,用气体分子处于平衡态时状态方程p=nKT 表达气体压力是足够精确的。而宇宙真空环境是开放的、气体分子在行星引力场的约束下处于缓慢变化的非平衡态或准静态。显然,在宇宙真空中,由于容积无限且不能忽略行星引力和气体的逃逸,用流体静力学方程计算大气压强或总分子数时出现了发散,与状态方程是不相容的,要解决这一难题必须另辟蹊径。

  13、宇宙真空的物理本质

  宇宙真空不是空虚的几何真空,它充满了物质或能量(未被激发的场),宇宙真空是物质真空。真空有其物理特征,例如真空有不为零的介电常数和磁导率,真空有抗色性等。真空能传递物质相互作用的四种力,引力、电磁力、强作力、弱作用力。真空是物质形成时力的传媒,没有真空传递物质的相互作用力,不会形成大千物质世界,因而真空是物质生成的必要且充分条件。换句话说,粒子、原子、分子、晶体、非晶体等实物质应该是由真空加上实物粒子组成的,例如,原子是由原子核(质子+中子)、核外电子加真空组成的,依此类推,分子是由原子加真空组成的,晶体是由原子(分子)加真空组成的,总之只有物质加真空才能构成了完整的、封闭的系统,真空是组成物质的基本要素。

  宇宙也是由物质加真空构成的。由于真空中的物质是有限的,所以,宇宙也是有限的,但宇宙可以不止一个。正如《宇宙大设计》一书中霍金方程给出的方程解数一样,宇宙之间的几何空间是连续的,而真空空间是断开的。

  物体静止或作匀速直线运动时不改变运动途径的真空状态,但作加速运动时使物体内部的真空场能量密度流不断增大,在时间维度上压缩物体内部能量密度,从而形成压缩能。当物体离开时,压缩能被释放,因而产生反作用力,该力就是被加速系里的物体感受到的惯性力,惯性力也可能是真空场产生的反作用力。该现象类似于闭合回路中由于磁通量的变化而产生感应电动势的法拉第-楞次定律。正像法拉第定律说明电和磁的联系一样,在真空场中做加速运动的物体产生惯性力,也表明真空场和力之间有普遍联系。

  14、结束语

  本文综述了作者创立宇宙真空学的哲学思考和物理概念,建立的理论和方程的逻辑思维,推导公式的数学技巧。讨论了理论的正确性和自洽性,进行了一些实例的计算,得到了与观测结果符合的数据,给出了一些新的结论。新学科领域的建立需要一个成长过程。撰写本文希望引起读者的兴趣,开展交流,得到读者的批评指正以便完善。

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