人类能在地球上造出宇宙空间中那种极高真空吗?

科普中国-科普融合创作 2017-11-15

  出品:科普中国

  制作:寒木钓萌

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  答案是,不能。

  虽然我们很想很想,但目前还不具备这个实力,也许永远都不具备。

  真空很有趣

  若有人问你,在高处同时扔下一片羽毛和一个保龄球,怎样才能让它俩同时坠地?

  无懈可击的答案是:把它俩放在真空室中扔下。

  若有人问你,如何称量一粒尘埃的重量?这显然是很难,因为影响尘埃重量的因素太多。

  而答案是,在真空下,用超微天平称量。

  再有人问你,在不加热不冷却的情况下怎么让水沸腾并结冰?

  答案依然是抽真空。

  真空很重要

  对于大众,真空除了与食物保鲜、绝热保温等有关外,剩下的就只是神奇和有趣了。但对于那些耗资几十亿,甚至几百亿元的大型科研设备来说,真空与否以及真空的程度则代表成败。

  图为耗资80亿美元以上的欧洲大型强子对撞机。图片来自Fons Rademakers/CERN/SPL。

  高能加速器内要求有很高的真空度,因为我们想要的是粒子与粒子的对碰,而不是粒子与氧气分子、二氧化碳分子的对碰。若加速器内真空度不够高,则高能粒子束与残存空气分子对碰的几率增大,这会影响粒子束的寿命。

  换句话说,高能加速器内,真空度越高,效率也就越高。

  地下100米深内的大型强子对撞机,其27公里长的环形管道内为超高真空。

  引力波探测器能够测量比质子尺寸还小一千倍的位移,而它内部的真空系统是全世界最大、最纯的系统之一,真空管内的气压只有海平面气压的1万亿分之一。失去真空也就失去一切,对于引力波探测器来说就是如此。

  国际热核聚变实验反应堆ITER展开试验时,里面的腔体也将抽成超高真空。图片来自ipp。

  可以这么说,人类目前的顶尖技术中,绝大多数都跟真空脱不开干系。真空如此重要,我们是有必要好好了解一下它。

  真空的疆域

  下暴雨时,握着伞的你会感受到大量雨滴对你产生的持续压力。同理,从微观视角上,我们感受到的以及看到的气压现象也是这般原理。

  任何时刻,无数的气体分子不断地撞向挂钩表面并反弹,就像下暴雨时,雨滴对伞施加的压力一样。

  换句话说,相同体积内空气分子越多,压强也就越大(因为碰撞增多),所以,国际上是用压强来表示真空度,压强越小,则真空度越高。

  压强的单位是“帕”,1帕等于每平方米施加1牛顿的压力。而一个标准大气压,也就是在海平面的平均气压约为101325帕,即在1平方米面积上有101325牛顿的压力,也相当于1公斤物体在1平方厘米上产生的压力。

  我国对真空区域的划分如下:

  阿波罗飞船登月时,测得的月球真空最低可为10的负10帕,这意味着,月球上已经跨入极高真空的范围了。而在3万6公里的同步卫星轨道处,真空度最低可以达到10的负12帕。

  我国著名的真空科学技术专家达道安,在其所著的书《空间真空技术》中,他推测,模拟星际空间的极高真空容器已经获得10的负13帕的真空。

  太空有多空?

  上文似乎告诉我们,看来人类已经在地球上造出宇宙空间中那种极高真空了。但是且慢,10的负13帕就是宇宙空间中真空极限了吗?

  当然不是。别忘了,我们在讨论月球和同步轨道处的真空度时,我们实际上还没有离开家门口呢。

  既没有离开地月系,更没有离开太阳系。而我们说的宇宙空间,当然是星际空间,以及星系际空间了。

  在这些空间中,到底有多空?月球上属于极高真空,这已经是人类对真空划分的最高级别,然而,月球上每立方厘米内的粒子数依然高达8万个以上。

  而在星际空间,每立方厘米内的粒子数只有1个。在星系际空间,类似于银河系与其他星系之间的广袤虚空内,每立方厘米内的粒子数为10负6个,也就是1立方米内才有1个粒子。

  比星系际空间更空的是宇宙空洞。

  空洞内,没有恒星、行星、星云以及星际气体。

  这种真空度,人类是无法造出来的。因为我们要在地球上造一个真空室,那么这个真空室必然是密封的,你是可以穷极各种技术,把真空室内的空气分子全部抽出,但是别忘了真空室的密封材料本身,这些材料会源源不断地向真空室射出粒子,你挡不住。

  

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责任编辑:李阳阳

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