宇宙真空學的發展
研究了真空科學技術發展及應用的歷史過程，建立了宇宙真空學。宇宙真空學是研究行星表面以上空間大氣分布規律、行星大氣逃逸理論、航天器周圍的真空環境特性及宇宙真空測量理論與技術、宇宙真空的物理本質等的學科。本文系統地敘述了作者創立《宇宙真空學》的邏輯思維、建立模型的物理概念以及理論推導的數學技巧。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等方面的研究結果。作為理論應用的實例，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，與實際觀測結果符合。宇宙真空學對空間應用及行星探測工作有重要的理論和實際指導作用。
人類在地球表面大氣環境中生存了數百萬年，人類對真空的認知經歷了幾千年歷史時期。公元前六世紀，中國人在冶鐵時采用風箱(古稱鞲鞴)鼓風技術提高爐溫。戰國時期的《老子道德經》書中說鞲鞴“虛而不屈，動而愈出”，說明風箱鼓風的過程是利用了低真空和環境大氣之間的壓力差產生吸氣的原理。到了16世紀歐洲人才發明了風箱。公元五世紀晉朝醫生葛洪在《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，這些技術至今仍在使用。但那時沒有說明發生以上現象的物理原因，也沒有實驗測量和數學表達。歐洲人遇到同樣的問題時，形成了以古希臘哲學家亞里斯多德(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世紀羅馬人用水壓機抽汲礦井中的水，當水壓機的活塞被提上來時，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真空空間，說明大自然不允許存在真空，該觀點統治了1800多年。當人們重復水壓機汲水動作時，管內水位不斷提高，直到水從出口溢出。直到17世紀發現提升水位的高度有限制，于是請科學家伽里略(Galileo)到現場指導，伽里略親自測量其限制值為10m：伽里略分析后認為：由于汲水管插入水池和大氣連通，汲水高度和大氣重量產生的壓力有關。於是，讓他的學生托里切利(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水銀柱的重量產生的靜壓力。這個實驗得到了三個非常重要的科學結論，提高了人們對真空的認識：①大氣壓力是由大氣重量產生的；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可實現真空。此前，阿里斯多德、笛卡爾都認為自然界不可能存在真空，任何真空一經獲得，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是有限的，從此打開了人工真空科學技術的大門。1650年德人國葛利克(Otto Von Guericke)和英國人玻義耳(R Boyle)先后發明抽氣機以后，使真空的產生變得更加具有實際意義。近四百年來，科學家充分發展了真空獲得、測量、檢漏、工程及應用技術，研究不同稀薄程度的大氣如何影響熱學、光學、聲學、電磁學、化學、生命科學特性等，使真空科學技術的進步達到近于完美的地步，地面真空科學技術從獲得、測量、應用等方面形成了完整系統的真空科學技術體系，廣泛應用到人類社會生產、科研、生活的諸多領域。人類發現了人工真空環境，發展了人工地面真空科學技術，真空科學技術回報了人類，人類生存離不開真空科學技術，真空科學技術極大地推進了人類社會的進步。
如果從真空的形成過程和真空科學技術的應用范圍出發，到目前為止人們主要研究了在行星表面大氣環境下，用技術手段在密封容器內獲得及應用真空的科學技術。密封容器內氣體的壓力主要由氣體分子動量變化產生，大氣重量產生的壓力可以忽略。氣體分子密度和溫度在空間和時間上是均勻分布的，容器內的稀薄氣體處于平衡態，遵守理想氣體狀態方程，可總稱為人工真空科學技術，該部分主要技術內容已被歸納、整理、匯編在由作者主編的《真空設計手冊(第3版)》里。
宇宙真空學研究的是行星表面以上的宇宙真空環境，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，完全不同于地面真空科學技術體系的研究對象。追朔歷史，最早發現這一現象的是受托里切利實驗的啟發，法國科學家帕斯卡(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，發現大氣壓力僅隨離地面高度的增加而減小，并發現大氣壓力表現為各向同性。如果把帕斯卡的實驗結論外推到宇宙空間，就可得出宇宙空間處于天然的真空狀態。這一結果預示了隨著人類能力的增長，有朝一日總會到達高遠的宇宙空間，那里是廣袤無限的真空世界。
時鐘走過了約三個世紀，20世紀中期人們發明了火箭技術，1957年蘇聯用多級火箭把第一顆人造地球衛星送入地球軌道，1959年加加林駕駛宇宙飛船進入宇宙空間。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、衛星、飛船不僅飛行而且生存在宇宙真空環境中，長時期與宇宙真空環境發生相互作用，影響航天器的工作性能、可靠性及壽命。當火箭上升時與大氣層摩擦發熱，需加防護罩。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，出現黑 現象等。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律、在軌飛行航天器周圍氣體分子分布狀態以及與此相關的真空測量、校準技術。并期望借此理論給行星探測活動一些理論指導或者給探測結果作出合理的解釋和預測。例如，月球表面為何處于極高真空狀態?火星表面為何沒有液態水存在?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超出了地面人工真空科學技術的領域，必須建立新的《宇宙真空學》理論。在自然界中，人們不僅可以制造出人工真空環境，而且可以利用天然真空環境。兩種不同類型的真空環境，影響氣體分子運動的作用機理不同，描述它們運動規律的數學方程也不一樣，自然應該有兩個不同的真空學理論。
前日本真空株式會社理事長林主稅在2002年中國真空學術年會所作的“21世紀真空科學技術展望”中提出了“21世紀的真空科學技術是宇宙真空時代”的預言。前中國工程院院長宋健在2004年7月給《真空設計手冊(第3版)》寫的序言中指出，“20世紀下半葉，人類航天事業的出現，衛星、飛船、登月、深空探測都迫切需求關于宇宙真空的科學知識和開發利用以及對付真空的技術。”因此，深入系統地研究宇宙真空特性的任務擺在了真空科學技術工作者的面前。
長期以來，科學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據，拍攝了大量的照片，經過分析整理得到了許多觀測結論。迫切需要建立完整的理論體系解釋這些觀測結論，指導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，與實際觀測結果的符合性，和前人理論的一致性以及對新現象的預見性。基于上述的思路，作者經過十多年的思考、研究，建立了宇宙真空學的理論體系，內容包括：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學表達式，在軌航天器周圍真空環境以及宇宙真空測量的理論與技術，宇宙真空的物理本質等，形成了較完整的宇宙真空學的理論體系。
1、宇宙真空學的概念和內涵
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獲得人造真空環境，使密封容器中的大氣壓力低于周圍環境大氣壓力，稱為工程技術真空。二是物理真空或者宇宙真空，按照現代物理學的認識，物理真空是量子系統能量最低的能態(基態)。兩種不同的真空概念在工程技術的實現上沒有嚴格的差異，只是實現的程度和難易不同。到目前為止，人們用人工技術獲得了10-11 Pa的極高真空度，大氣分子密度約104cm-3。人類進入宇宙空間后發現遠離地球的空間，大氣密度更低，存在著沒有實物粒子的局域物理真空環境。
宇宙空間大氣密度分布如何用數學表達呢?1859年麥克斯韋研究了氣體分子按動量和坐標在相空間的分布后，推導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，并認為外場中分子的勢能只是它的質心坐標的函數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。但當計算宇宙中行星大氣總分子數時給出了發散的結果，這一問題早被前蘇聯理論物理學家、諾貝爾獎獲得者Laudau指出過。
可否利用地面真空科學技術理論的拓展延伸來解決這個問題呢?眾所周知，地面真空科學技術的研究對象是針對一個有限容積的真空容器中，氣體分子經過相互碰撞或和容器碰撞達到平衡態時，采用有限抽速和抽氣量的真空機組產生人造真空環境的理論，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時狀態方程p=nKT 表達氣體壓力是足夠精確的。而宇宙真空環境是開放的、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或準靜態。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，用流體靜力學方程計算大氣壓強或總分子數時出現了發散，與狀態方程是不相容的，要解決這一難題必須另辟蹊徑。
13、宇宙真空的物理本質
宇宙真空不是空虛的幾何真空，它充滿了物質或能量(未被激發的場)，宇宙真空是物質真空。真空有其物理特征，例如真空有不為零的介電常數和磁導率，真空有抗色性等。真空能傳遞物質相互作用的四種力，引力、電磁力、強作力、弱作用力。真空是物質形成時力的傳媒，沒有真空傳遞物質的相互作用力，不會形成大千物質世界，因而真空是物質生成的必要且充分條件。換句話說，粒子、原子、分子、晶體、非晶體等實物質應該是由真空加上實物粒子組成的，例如，原子是由原子核(質子+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，總之只有物質加真空才能構成了完整的、封閉的系統，真空是組成物質的基本要素。
宇宙也是由物質加真空構成的。由于真空中的物質是有限的，所以，宇宙也是有限的，但宇宙可以不止一個。正如《宇宙大設計》一書中霍金方程給出的方程解數一樣，宇宙之間的幾何空間是連續的，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，但作加速運動時使物體內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部能量密度，從而形成壓縮能。當物體離開時，壓縮能被釋放，因而產生反作用力，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生的反作用力。該現象類似于閉合回路中由于磁通量的變化而產生感應電動勢的法拉第-楞次定律。正像法拉第定律說明電和磁的聯系一樣，在真空場中做加速運動的物體產生慣性力，也表明真空場和力之間有普遍聯系。
14、結束語
本文綜述了作者創立宇宙真空學的哲學思考和物理概念，建立的理論和方程的邏輯思維，推導公式的數學技巧。討論了理論的正確性和自洽性，進行了一些實例的計算，得到了與觀測結果符合的數據，給出了一些新的結論。新學科領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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