認(rèn)識宇宙真空，除了觀測，還有計算

達(dá)道安

天地四方曰宇，往古來今曰宙。從幾何學(xué)角度來看，宇是指三維（x，y，z）幾何空間，其維度從-∞→﹢∞，是無限的。宙是指時間維度t，從0→﹢∞，表示從宇宙大爆炸開始一直不停運動，而運動的結(jié)果是進(jìn)化。總而言之，宇宙是指包括x、y、z、t四維坐標(biāo)系的時空。建立宇宙真空學(xué)，不僅要知道宇宙真空的現(xiàn)狀，還要表達(dá)宇宙真空隨時間變化的規(guī)律，從而推導(dǎo)出以前的狀態(tài)，預(yù)言今后的演化。大自然從來不會欺騙我們，但由于我們沒有認(rèn)清大自然而盲目行動，往往受騙。

黑格爾說：“一個民族總要有一些仰望星空的人，他們才有希望?！比祟愌鐾强?，對宇宙的無窮性充滿好奇和探索欲，對飛天充滿向往。人類在探索宇宙的實踐中增長知識、鍛煉技能、改造世界觀，但又不能沉浸于仰望星空的滿足感，更需解決探索過程中遇到的實際問題，以使夢想和實踐結(jié)合、知與行辯證統(tǒng)一。

我們這些長期從事航天探測研究的人想要航天器長期、可靠地生存在宇宙空間，就要回答宇宙中的大氣分子總質(zhì)量是多少，它們是如何分布的，大氣分子對航天器產(chǎn)生多大阻力、有多少影響，行星表面大氣壓力、大氣成分、大氣溫度為何不同，行星表面有水嗎，行星上有生命嗎等這類問題。如何解決這些問題呢？

宇宙真空不是空的

真空不是空無一物的幾何空間，充滿了物質(zhì)或能量（未被激發(fā)的場），真空是已知物質(zhì)真空。真空有物理特性，例如真空有不為零的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，可以傳遞引力、電磁力、強(qiáng)作用力（核力）和弱作用力等，具有形成物質(zhì)傳媒介質(zhì)的功能。真空是形成物質(zhì)的必要條件，也是物質(zhì)存在的充分條件。換句話說，粒子、原子、分子、晶體、非晶體等實物質(zhì)是由真空加上實物粒子組成的。原子是由原子核（質(zhì)子+中子）、核外電子加真空組成的。分子是由原子加真空組成的。固體、液體分為晶體、非晶體、準(zhǔn)晶體、玻璃態(tài)體等，是由原子（分子）加真空構(gòu)成的。只有物質(zhì)粒子加真空才能構(gòu)成完整、封閉的物質(zhì)系統(tǒng)。物質(zhì)中的微觀真空、工程中的宏觀真空以及宇宙中的巨觀真空均勻、平滑地連接在一起，成為組成物質(zhì)世界的基本要素。

宇宙是由物質(zhì)加真空構(gòu)成的。由于物質(zhì)是有限的，所以宇宙也是有限的。但宇宙可以是很多個，它們之間的幾何空間是連續(xù)的，但物質(zhì)真空是斷開的。

物體做勻速直線運動時不會改變運動途徑的真空狀態(tài)。但做加速運動時，單位時間通過物體內(nèi)部的真空流量會變大，產(chǎn)生對被加速系統(tǒng)的反作用力，也就是被加速系統(tǒng)感受到的慣性力。如果慣性力是引力的體現(xiàn)，意味著只有當(dāng)物體做加速運動時才能產(chǎn)生引力。

宇宙真空學(xué)研究的是行星表面以上的宇宙真空環(huán)境，尤其是在行星重力場作用下的大氣分子的運動規(guī)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。

1647年9月16日，法國科學(xué)家帕斯卡和皮埃爾（帕斯卡的姻兄）在克萊蒙佛朗附近的多姆山進(jìn)行了一項著名的實驗。他們分別在山頂和山腳測量大氣壓力，發(fā)現(xiàn)大氣壓力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真空狀態(tài)的結(jié)論。

宇宙真空與航天技術(shù)

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，美國的“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，人類擁有了進(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。長時間和宇宙真空環(huán)境發(fā)生相互作用，航天器的工作性能、可靠性及壽命都會受影響?；鸺仙龝r和大氣層摩擦發(fā)熱，需加防護(hù)罩保護(hù)。航天器繞地球軌道飛行時遇到大氣阻力，運行軌道會不斷降低，壽命會受影響。航天器返回地面再入大氣層時產(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)黑障現(xiàn)象等。要解決這些問題就需要弄清從行星表面向上一直到行星際，星系間的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)果做出合理的解釋和預(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？要讓航天器在行星表面降落、著陸、巡航、勘測、取樣及返回，特別是讓航天員出艙活動，必須了解宇宙及行星表面的真空或大氣特性。要解答這些問題，必須建立新的宇宙真空學(xué)理論。

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有關(guān)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。我們需要根據(jù)這些觀測結(jié)論建立完整的理論體系，指導(dǎo)今后宇宙真空的探測工作。

基于上述思路，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、行星大氣組成部分分布律、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，在軌航天器周圍的真空環(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)理論體系。

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)）。人們用人工技術(shù)獲得了10-11帕的極高真空度，其大氣密度約為104摩/立方厘米。宇宙空間大氣密度更低，存在沒有實物粒子的局域物理真空環(huán)境。

行星的大氣構(gòu)成算出來

宇宙空間的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力場中的氣體按總能量的分布，并認(rèn)為火箭結(jié)構(gòu)圖外力場中分子的勢能只是它的質(zhì)心坐標(biāo)的函數(shù)，像引力場一樣沿Z軸均勻分部，得到了外力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的大氣密度隨高度分布時，符合性較好，但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。endprint

地面真空科學(xué)技術(shù)的研究對象是一個容積有限的真空容器，氣體分子不能逃出容器，用氣體分子處于平衡態(tài)時的狀態(tài)方程表達(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，和狀態(tài)方程是不相容的，要解決這一難題必須另辟蹊徑。

蘇聯(lián)科學(xué)家朗道等指出，由于行星引力不夠強(qiáng)，行星大氣分子不能達(dá)到平衡態(tài)，大氣分子不斷從行星逃逸，向宇宙空間彌散。因此，玻耳茲曼氣體分子分布律不適用于全宇宙范圍。最早研究這一問題的是英國皇家學(xué)會會員、著名天文學(xué)家J.H.金斯，他仍然使用玻耳茲曼氣體分子分布律，只是近似地認(rèn)為行星大氣總分子數(shù)等于距地面高度為標(biāo)準(zhǔn)高度H、底部面積為地球圓截面的圓柱體內(nèi)的分子數(shù)，略去了標(biāo)準(zhǔn)高度以外的大氣分子。其計算精度可滿足當(dāng)時觀測行星大氣的需要，但不能解決星際探測的問題。

我們從物理機(jī)制出發(fā)，引入行星大氣分子自引力、行星大氣分子和真空場的作用力，補上了行星引力的不足。在數(shù)學(xué)技巧上，采用重整化法，解決了玻耳茲曼氣體分子分布律的發(fā)散問題，得到了新的行星大氣分子分布律和行星大氣逃逸方程，應(yīng)用于實例時取得了良好的結(jié)果，建立了宇宙真空學(xué)。該理論物理概念清晰、正確，數(shù)學(xué)推導(dǎo)嚴(yán)格、準(zhǔn)確，理論計算值與實際觀測結(jié)果符合，應(yīng)用于行星表面附近（數(shù)十千米）時和玻耳茲曼氣體分子分布律一致，是兼容的。新理論幾乎可以解釋所有已觀測到的與行星大氣相關(guān)的現(xiàn)象，同時又給出了一些新的預(yù)言，顯示出該理論在全宇宙范圍的適用性。

由該理論可推導(dǎo)出行星大氣總質(zhì)量公式及行星大氣密度分布公式。運用這些公式，可計算出地球大氣總質(zhì)量為5.26×1018千克，而通常認(rèn)為，地球大氣總質(zhì)量為5.3×1018千克，符合性很好。同樣，可算出火星及月球的大氣總質(zhì)量分別是2.9×1016千克、9.6×103千克。這是首次得到的理論計算值。美國出版的《太陽系百科全書》給出了月球大氣總質(zhì)量，其估計值約為1萬噸，符合計算值。

既然可以計算出地球大氣總質(zhì)量，在已知地球大氣組成部分的情況下，可算出地球大氣各組成部分的總質(zhì)量，包括影響人類生存的氧氣、氮氣、水汽及二氧化碳的總質(zhì)量。一般來說，若大氣中的二氧化碳含量超過1%，地球就不再適于人類生存。用該理論計算，如果二氧化碳的排放量持續(xù)以如今每年0.4%的速率遞增，再過千年左右，地球的大氣環(huán)境就不再適于人類生存了。

這顆星球有沒有水？

任何一個物體的速度只要大于行星的逃逸速度就會逃向宇宙空間。但氣體分子不同于火箭，其速度大于逃逸速度僅是逃離地球的必要條件。由于行星表面的氣體分子密度較大，分子之間碰撞頻率高，氣體分子會在碰撞過程中交換動量、改變速度，就算它們的速度大于行星的逃逸速度，也逃不出去。氣體分子逃出行星大氣的必要且充分條件是：氣體分子的速度大于逃逸速度，同時該分子所在界面的大氣非常稀薄，氣體分子間的平均碰撞距離（平均自由程）很長，使得氣體分子在和其他氣體分子發(fā)生碰撞前已經(jīng)逃出了大氣層。我們把此界面定義為逃逸界面，給出了數(shù)學(xué)表達(dá)式，推導(dǎo)出了行星大氣逃逸方程，定義了大氣逃逸率，其倒數(shù)即為逃逸壽命。為提高理論計算精度，把行星大氣層按高度分為數(shù)個等溫區(qū)疊加，推導(dǎo)出了行星大氣逃逸率或逃逸壽命的計算公式。

根據(jù)計算，地球大氣的壽命為4.2×1094年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地球的宇宙年齡4.5×109年，人類是非常幸運的。金星的大氣壓力為90千克/平方厘米，是地球大氣壓力的90倍，壽命約為7.7×1077年，遠(yuǎn)大于金星的年齡?；鹦谴髿庵械亩趸?、氮氣、氧氣的壽命均大于火星年齡，唯有水蒸氣的壽命僅為2.2×108年，是火星年齡的1/20，所以火星表面沒有液態(tài)水，但存在河道和湖泊的殘跡。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，火星上的液態(tài)水先蒸發(fā)成水蒸氣，然后逃逸出大氣層。逃逸量的大小和蒸發(fā)量成正比，而水冰的升華速率比液態(tài)水小許多。根據(jù)水冰逃逸方程，若火星表面溫度低于180開，火星表面的水冰可以保存到現(xiàn)在。火星南北極冬季的大氣溫度低于150開，中緯度冬季大氣溫度也在190開以下，所以那里還有少量的冰存在。

月球大氣非常稀薄，大氣壓力為10-10帕，處于極高真空狀態(tài)。月球質(zhì)量約為地球的1/81，約束不住大氣分子，而白天大氣溫度又很高，達(dá)到400開，致使月球大氣不斷逃逸?，F(xiàn)在月球表面的大氣全是太陽風(fēng)的成分，如氫、氦、氖和氬。

近年來，美國、俄羅斯相繼提出建立月球基地的計劃，為開發(fā)月球資源和登陸火星做準(zhǔn)備。月球有水源嗎？行星大氣逃逸理論可以回答這一問題。月球表面從來沒有水，但有水冰保存到現(xiàn)在。根據(jù)行星大氣逃逸理論，月球上的水冰只能在溫度低于100開的環(huán)境中存在。月球表面有沒有長期持續(xù)處于100開以下的熱環(huán)境存在？月球表面大氣非常稀薄，太陽光直接照射到月球表面，熱流密度為1300瓦/平方米。地球大氣層對太陽的平均反射率為36%～42%，地球也會向月球發(fā)出紅外輻射，熱流密度約為200瓦/平方米。月球水冰要遠(yuǎn)離這些熱源才能保存下來。滿足這種條件的地方只有環(huán)形山的陰面下部，上大下小的圓環(huán)形的深坑底部，最好在常年平均溫度最低的兩極附近。2011年，美國航空航天局利用報廢的“半人馬座”火箭撞擊了月球南極附近環(huán)形山下深寒的凱布斯坑，在撞擊后的塵埃中發(fā)現(xiàn)了豐富的水冰，含量在數(shù)十千克量級。由于月球沒有大氣層保護(hù)，隕石直接墜入月球表面，在月球南北極附近形成了大量深寒的類凱布斯坑，坑中儲存著大量的水冰。美國、印度的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，月球北極至少有6億噸水冰。

月礫中含有豐富的氦3，它是理想的清潔能源，是熱核反應(yīng)的原料。美國人分析了“阿波羅”登月艙帶回的月礫，認(rèn)為月球中氦3的總量約為100萬～500萬噸。如能收集、運回月球上的氦3，人類將得到一種持續(xù)、清潔、安全和高效的熱核聚變發(fā)電燃料，這是人類夢寐以求的，激勵著人們探月的熱情。氦3來自太陽風(fēng)，由于地球有地磁場及濃密的大氣，太陽風(fēng)被磁場俘獲或由大氣散射而逃逸，不能到達(dá)地球表面。月球表面沒有大氣層，沒有磁場，太陽風(fēng)能直接注入月礫。月礫吸收飽和后，太陽風(fēng)中的粒子就回到月球大氣中了。這些太陽風(fēng)粒子和月球自身的放射性物質(zhì)，構(gòu)成了月球的殘余大氣。根據(jù)月球殘余大氣的壓強(qiáng)，我們計算出月礫中氦3的儲量為90萬～350萬噸，大致符合美國人的估值。根據(jù)我們的理論，月球上氦3的儲量是永遠(yuǎn)不會枯竭的，太陽可以不斷地補充。目前人類尚不完全具備收集、儲存月球上的氦3并將其運回地球的能力。

更遠(yuǎn)的真空

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人造航天器能夠飛向深遠(yuǎn)宇宙，到達(dá)沒有實物粒子的物理真空世界。根據(jù)宇宙真空學(xué)理論，距離地球表面100萬千米處平均每5立方米容積內(nèi)約有1個氣體分子，接近物理真空狀態(tài)。人們對物理真空的認(rèn)識在不斷深化，從充滿機(jī)械媒質(zhì)的以太到由費米子填滿負(fù)能海的真空和玻色子零點場的真空，從具有磁導(dǎo)率和介電常數(shù)等電磁性質(zhì)的真空到李政道提出的具有反色性和抗色性的抗色真空，以及具有對稱性自發(fā)破損的黑格斯（Higgs）真空，描述了人類認(rèn)識真空的軌跡。從巨觀真空（宇宙真空）到宏觀真空（工程真空），再到微觀真空（粒子、原子、分子、晶體中的真空），真空存在于不同區(qū)域，但在同一個宇宙中，真空應(yīng)該是均勻的、連續(xù)的、不能分割的，且物理本質(zhì)是相同的。愛因斯坦把引力的真空能并入引力方程的宇宙項中，研究宇宙真空具有的引力性質(zhì)。

目前，我們對真空的認(rèn)識除了對物理真空已取得的認(rèn)識外還存在以下未解之謎：真空和暗能量的關(guān)系，慣性力的起源問題以及如何在不同的參考系中理解真空的性質(zhì)，這些都有待我們解決。endprint