认识宇宙真空，除了观测，还有计算

达道安

天地四方曰宇，往古来今曰宙。从几何学角度来看，宇是指三维（x，y，z）几何空间，其维度从-∞→﹢∞，是无限的。宙是指时间维度t，从0→﹢∞，表示从宇宙大爆炸开始一直不停运动，而运动的结果是进化。总而言之，宇宙是指包括x、y、z、t四维坐标系的时空。建立宇宙真空学，不仅要知道宇宙真空的现状，还要表达宇宙真空随时间变化的规律，从而推导出以前的状态，预言今后的演化。大自然从来不会欺骗我们，但由于我们没有认清大自然而盲目行动，往往受骗。

黑格尔说：“一个民族总要有一些仰望星空的人，他们才有希望。”人类仰望星空，对宇宙的无穷性充满好奇和探索欲，对飞天充满向往。人类在探索宇宙的实践中增长知识、锻炼技能、改造世界观，但又不能沉浸于仰望星空的满足感，更需解决探索过程中遇到的实际问题，以使梦想和实践结合、知与行辩证统一。

我们这些长期从事航天探测研究的人想要航天器长期、可靠地生存在宇宙空间，就要回答宇宙中的大气分子总质量是多少，它们是如何分布的，大气分子对航天器产生多大阻力、有多少影响，行星表面大气压力、大气成分、大气温度为何不同，行星表面有水吗，行星上有生命吗等这类问题。如何解决这些问题呢？

宇宙真空不是空的

真空不是空无一物的几何空间，充满了物质或能量（未被激发的场），真空是已知物质真空。真空有物理特性，例如真空有不为零的介电常数和磁导率，可以传递引力、电磁力、强作用力（核力）和弱作用力等，具有形成物质传媒介质的功能。真空是形成物质的必要条件，也是物质存在的充分条件。换句话说，粒子、原子、分子、晶体、非晶体等实物质是由真空加上实物粒子组成的。原子是由原子核（质子+中子）、核外电子加真空组成的。分子是由原子加真空组成的。固体、液体分为晶体、非晶体、准晶体、玻璃态体等，是由原子（分子）加真空构成的。只有物质粒子加真空才能构成完整、封闭的物质系统。物质中的微观真空、工程中的宏观真空以及宇宙中的巨观真空均匀、平滑地连接在一起，成为组成物质世界的基本要素。

宇宙是由物质加真空构成的。由于物质是有限的，所以宇宙也是有限的。但宇宙可以是很多个，它们之间的几何空间是连续的，但物质真空是断开的。

物体做匀速直线运动时不会改变运动途径的真空状态。但做加速运动时，单位时间通过物体内部的真空流量会变大，产生对被加速系统的反作用力，也就是被加速系统感受到的惯性力。如果惯性力是引力的体现，意味着只有当物体做加速运动时才能产生引力。

宇宙真空学研究的是行星表面以上的宇宙真空环境，尤其是在行星重力场作用下的大气分子的运动规律。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。

1647年9月16日，法国科学家帕斯卡和皮埃尔（帕斯卡的姻兄）在克莱蒙佛朗附近的多姆山进行了一项著名的实验。他们分别在山顶和山脚测量大气压力，发现大气压力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真空状态的结论。

宇宙真空与航天技术

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，美国的“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，人类拥有了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。长时间和宇宙真空环境发生相互作用，航天器的工作性能、可靠性及寿命都会受影响。火箭上升时和大气层摩擦发热，需加防护罩保护。航天器绕地球轨道飞行时遇到大气阻力，运行轨道会不断降低，寿命会受影响。航天器返回地面再入大气层时产生的热量，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，出现黑障现象等。要解决这些问题就需要弄清从行星表面向上一直到行星际，星系间的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，并借此理论给行星探测活动一些理论指导，或者给探测结果做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？要让航天器在行星表面降落、着陆、巡航、勘测、取样及返回，特别是让航天员出舱活动，必须了解宇宙及行星表面的真空或大气特性。要解答这些问题，必须建立新的宇宙真空学理论。

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有关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。我们需要根据这些观测结论建立完整的理论体系，指导今后宇宙真空的探测工作。

基于上述思路，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、行星大气组成部分分布律、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，在轨航天器周围的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理论体系。

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）。人们用人工技术获得了10-11帕的极高真空度，其大气密度约为104摩/立方厘米。宇宙空间大气密度更低，存在没有实物粒子的局域物理真空环境。

行星的大气构成算出来

宇宙空间的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力场中的气体按总能量的分布，并认为火箭结构图外力场中分子的势能只是它的质心坐标的函数，像引力场一样沿Z轴均匀分部，得到了外力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的大气密度随高度分布时，符合性较好，但计算宇宙中行星大气总分子数时给出了发散的结果。endprint

地面真空科学技术的研究对象是一个容积有限的真空容器，气体分子不能逃出容器，用气体分子处于平衡态时的状态方程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，和状态方程是不相容的，要解决这一难题必须另辟蹊径。

苏联科学家朗道等指出，由于行星引力不够强，行星大气分子不能达到平衡态，大气分子不断从行星逃逸，向宇宙空间弥散。因此，玻耳兹曼气体分子分布律不适用于全宇宙范围。最早研究这一问题的是英国皇家学会会员、著名天文学家J.H.金斯，他仍然使用玻耳兹曼气体分子分布律，只是近似地认为行星大气总分子数等于距地面高度为标准高度H、底部面积为地球圆截面的圆柱体内的分子数，略去了标准高度以外的大气分子。其计算精度可满足当时观测行星大气的需要，但不能解决星际探测的问题。

我们从物理机制出发，引入行星大气分子自引力、行星大气分子和真空场的作用力，补上了行星引力的不足。在数学技巧上，采用重整化法，解决了玻耳兹曼气体分子分布律的发散问题，得到了新的行星大气分子分布律和行星大气逃逸方程，应用于实例时取得了良好的结果，建立了宇宙真空学。该理论物理概念清晰、正确，数学推导严格、准确，理论计算值与实际观测结果符合，应用于行星表面附近（数十千米）时和玻耳兹曼气体分子分布律一致，是兼容的。新理论几乎可以解释所有已观测到的与行星大气相关的现象，同时又给出了一些新的预言，显示出该理论在全宇宙范围的适用性。

由该理论可推导出行星大气总质量公式及行星大气密度分布公式。运用这些公式，可计算出地球大气总质量为5.26×1018千克，而通常认为，地球大气总质量为5.3×1018千克，符合性很好。同样，可算出火星及月球的大气总质量分别是2.9×1016千克、9.6×103千克。这是首次得到的理论计算值。美国出版的《太阳系百科全书》给出了月球大气总质量，其估计值约为1万吨，符合计算值。

既然可以计算出地球大气总质量，在已知地球大气组成部分的情况下，可算出地球大气各组成部分的总质量，包括影响人类生存的氧气、氮气、水汽及二氧化碳的总质量。一般来说，若大气中的二氧化碳含量超过1%，地球就不再适于人类生存。用该理论计算，如果二氧化碳的排放量持续以如今每年0.4%的速率递增，再过千年左右，地球的大气环境就不再适于人类生存了。

这颗星球有没有水？

任何一个物体的速度只要大于行星的逃逸速度就会逃向宇宙空间。但气体分子不同于火箭，其速度大于逃逸速度仅是逃离地球的必要条件。由于行星表面的气体分子密度较大，分子之间碰撞频率高，气体分子会在碰撞过程中交换动量、改变速度，就算它们的速度大于行星的逃逸速度，也逃不出去。气体分子逃出行星大气的必要且充分条件是：气体分子的速度大于逃逸速度，同时该分子所在界面的大气非常稀薄，气体分子间的平均碰撞距离（平均自由程）很长，使得气体分子在和其他气体分子发生碰撞前已经逃出了大气层。我们把此界面定义为逃逸界面，给出了数学表达式，推导出了行星大气逃逸方程，定义了大气逃逸率，其倒数即为逃逸寿命。为提高理论计算精度，把行星大气层按高度分为数个等温区叠加，推导出了行星大气逃逸率或逃逸寿命的计算公式。

根据计算，地球大气的寿命为4.2×1094年，远远大于地球的宇宙年龄4.5×109年，人类是非常幸运的。金星的大气压力为90千克/平方厘米，是地球大气压力的90倍，寿命约为7.7×1077年，远大于金星的年龄。火星大气中的二氧化碳、氮气、氧气的寿命均大于火星年龄，唯有水蒸气的寿命仅为2.2×108年，是火星年龄的1/20，所以火星表面没有液态水，但存在河道和湖泊的残迹。

进一步分析发现，火星上的液态水先蒸发成水蒸气，然后逃逸出大气层。逃逸量的大小和蒸发量成正比，而水冰的升华速率比液态水小许多。根据水冰逃逸方程，若火星表面温度低于180开，火星表面的水冰可以保存到现在。火星南北极冬季的大气温度低于150开，中纬度冬季大气温度也在190开以下，所以那里还有少量的冰存在。

月球大气非常稀薄，大气压力为10-10帕，处于极高真空状态。月球质量约为地球的1/81，约束不住大气分子，而白天大气温度又很高，达到400开，致使月球大气不断逃逸。现在月球表面的大气全是太阳风的成分，如氢、氦、氖和氩。

近年来，美国、俄罗斯相继提出建立月球基地的计划，为开发月球资源和登陆火星做准备。月球有水源吗？行星大气逃逸理论可以回答这一问题。月球表面从来没有水，但有水冰保存到现在。根据行星大气逃逸理论，月球上的水冰只能在温度低于100开的环境中存在。月球表面有没有长期持续处于100开以下的热环境存在？月球表面大气非常稀薄，太阳光直接照射到月球表面，热流密度为1300瓦/平方米。地球大气层对太阳的平均反射率为36%～42%，地球也会向月球发出红外辐射，热流密度约为200瓦/平方米。月球水冰要远离这些热源才能保存下来。满足这种条件的地方只有环形山的阴面下部，上大下小的圆环形的深坑底部，最好在常年平均温度最低的两极附近。2011年，美国航空航天局利用报废的“半人马座”火箭撞击了月球南极附近环形山下深寒的凯布斯坑，在撞击后的尘埃中发现了丰富的水冰，含量在数十千克量级。由于月球没有大气层保护，陨石直接坠入月球表面，在月球南北极附近形成了大量深寒的类凯布斯坑，坑中储存着大量的水冰。美国、印度的科学家发现，月球北极至少有6亿吨水冰。

月砾中含有丰富的氦3，它是理想的清洁能源，是热核反应的原料。美国人分析了“阿波罗”登月舱带回的月砾，认为月球中氦3的总量约为100万～500万吨。如能收集、运回月球上的氦3，人类将得到一种持续、清洁、安全和高效的热核聚变发电燃料，这是人类梦寐以求的，激励着人们探月的热情。氦3来自太阳风，由于地球有地磁场及浓密的大气，太阳风被磁场俘获或由大气散射而逃逸，不能到达地球表面。月球表面没有大气层，没有磁场，太阳风能直接注入月砾。月砾吸收饱和后，太阳风中的粒子就回到月球大气中了。这些太阳风粒子和月球自身的放射性物质，构成了月球的残余大气。根据月球残余大气的压强，我们计算出月砾中氦3的储量为90万～350万吨，大致符合美国人的估值。根据我们的理论，月球上氦3的储量是永远不会枯竭的，太阳可以不断地补充。目前人类尚不完全具备收集、储存月球上的氦3并将其运回地球的能力。

更远的真空

随着科学技术的进步，人造航天器能够飞向深远宇宙，到达没有实物粒子的物理真空世界。根据宇宙真空学理论，距离地球表面100万千米处平均每5立方米容积内约有1个气体分子，接近物理真空状态。人们对物理真空的认识在不断深化，从充满机械媒质的以太到由费米子填满负能海的真空和玻色子零点场的真空，从具有磁导率和介电常数等电磁性质的真空到李政道提出的具有反色性和抗色性的抗色真空，以及具有对称性自发破损的黑格斯（Higgs）真空，描述了人类认识真空的轨迹。从巨观真空（宇宙真空）到宏观真空（工程真空），再到微观真空（粒子、原子、分子、晶体中的真空），真空存在于不同区域，但在同一个宇宙中，真空应该是均匀的、连续的、不能分割的，且物理本质是相同的。爱因斯坦把引力的真空能并入引力方程的宇宙项中，研究宇宙真空具有的引力性质。

目前，我们对真空的认识除了对物理真空已取得的认识外还存在以下未解之谜：真空和暗能量的关系，惯性力的起源问题以及如何在不同的参考系中理解真空的性质，这些都有待我们解决。endprint