真空

發(fā)布時(shí)間：2016/1/27 9:20:05   新聞來源：admin   瀏覽次數(shù)：18905

    真空zhēn kōng
    英語 vacuum

    按其詞源本義是虛空，即一無所有的空間；按現(xiàn)代物理的觀點(diǎn)，真空不空，其中包含著極為豐富的物理內(nèi)容。一種說法是,當(dāng)容器中的壓力低于大氣壓力時(shí),把低于大氣壓力的部分叫做真空,而容器內(nèi)的壓力叫絕對(duì)壓力。另一種說法是,凡壓力比大氣壓力低的容器里的空間都稱做真空。真空有程度上的區(qū)別:當(dāng)容器內(nèi)沒有壓力即絕對(duì)壓力等于零時(shí),叫做完全真空;其余叫做不完全真空。
 
    真空的含義及特點(diǎn)
    在真空科學(xué)中，真空的含義是指在給定的空間內(nèi)低于一個(gè)大氣壓力的氣體狀態(tài)。人們通常把這種稀薄的氣體狀態(tài)稱為真空狀況。這種特定的真空狀態(tài)與人類賴以生存的大氣在狀態(tài)相比較，主要有如下幾個(gè)基本特點(diǎn)：
   （ 1 ）真空狀態(tài)下的氣體壓力低于一個(gè)大氣壓，因此，處于地球表面上的各種真空容器中，必將受到大氣壓力的作用，其壓強(qiáng)差的大小由容器內(nèi)外的壓差值而定。由于作用在地球表面上的一個(gè)大氣壓約為 101325N/m2，因此當(dāng)容器內(nèi)壓力很小時(shí)，則容器所承受的大氣壓力可達(dá)到一個(gè)大氣壓。
   （ 2 ）真空狀態(tài)下由于氣體稀薄，單位體積內(nèi)的氣體分子數(shù)，即氣體的分子密度小于大氣壓力的氣體分子密度。因此，分子之間、分子與其他質(zhì)點(diǎn)（如電子、離子等）之間以及分子與各種表面（如器壁）之間相互碰撞次數(shù)相對(duì)減少，使氣體的分子自由程增大。
 
    物理真空
    本指沒有任何實(shí)物粒子存在的空間，但什么都沒有的空間是不存在的。而假設(shè)你把一個(gè)空間的氣體都趕跑，會(huì)發(fā)現(xiàn)還是不時(shí)有基本粒子在真空中出現(xiàn)又消失，無中生有。物理上的真空實(shí)際上是一片不停波動(dòng)的能量之海。當(dāng)能量達(dá)到波峰，能量轉(zhuǎn)化為一對(duì)對(duì)正反基本粒子，當(dāng)能量達(dá)到波谷，一對(duì)對(duì)正反基本粒子又相互湮滅，轉(zhuǎn)化為能量。
 
    工業(yè)真空
    工業(yè)上的真空指的是氣壓比一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓小的氣體空間，是指稀薄的氣體狀態(tài)，又可分為高真空、中真空和低真空，地球以及星球中間的廣大太空就是真空。一般是用特制的抽氣機(jī)得到真空的。它的氣體稀薄程度用真空計(jì)測(cè)定，現(xiàn)在已能用分子抽氣機(jī)和擴(kuò)散抽氣機(jī)得到0.0000000001大氣壓的高真空。真空在科學(xué)技術(shù)，電真空儀器，電子管和其他電子儀器方面，都有很大用途。
 
    人類對(duì)真空認(rèn)識(shí)的歷史發(fā)展
    人類關(guān)于真空的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了幾次根本的變革和反復(fù)。古希臘德謨克利特的原子論認(rèn)為所有的物質(zhì)都是由原子組成，原子之外就是虛空。17世紀(jì)R.笛卡兒提出以太漩渦說，認(rèn)為空間充滿了以太，并用以說明行星的運(yùn)動(dòng)。不久I.牛頓建立以運(yùn)動(dòng)三定律和萬有引力定律為基石的牛頓力學(xué)，成功地解決了行星繞日運(yùn)動(dòng)問題，引力被認(rèn)為是超距作用的，無需以太作為傳遞媒介，從而否定了以太論。19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)光的波動(dòng)性，認(rèn)為波的傳播必須依靠介質(zhì)，特別是后來發(fā)現(xiàn)了電磁場(chǎng)的波動(dòng)性，以太論再度興起，認(rèn)為宇宙中不論何時(shí)何地，任何物體內(nèi)無不充滿了以太，光和電磁波被解釋為以太的機(jī)械振動(dòng)。后來雖然在觀念上有所變化，把光和電磁波看成電磁場(chǎng)的振動(dòng)，但以太仍然保留著某種絕對(duì)的性質(zhì)，它可以看成是描述萬物運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)靜止的參考系。19世紀(jì)末20世紀(jì)初各種試圖探測(cè)地球相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)速度的實(shí)驗(yàn)均告失敗，A.愛因斯坦建立狹義相對(duì)論，再次否定了這種作為絕對(duì)靜止以太的存在。稍后，愛因斯坦在用場(chǎng)論觀點(diǎn)研究引力現(xiàn)象時(shí)，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到空無一物的真空觀念是有問題的，他曾提出真空是引力場(chǎng)的某種特殊狀態(tài)的想法。
   首先給予真空嶄新物理內(nèi)容的是P.A.M.狄拉克。狄拉克于1930年為了擺脫狄拉克方程負(fù)能解的困境，提出真空是充滿了負(fù)能態(tài)的電子海。當(dāng)負(fù)能態(tài)的電子吸收了足夠的能量躍遷到正能態(tài)成為普通電子時(shí)，電子海中才能留下可觀測(cè)的空穴，即正電子。從體系的能量角度考查，這種情況比只有電子海的真空狀態(tài)要高，因此真空就是能量最低的狀態(tài)。從現(xiàn)代量子場(chǎng)論的觀點(diǎn)看，每一種粒子對(duì)應(yīng)于一種量子場(chǎng)，粒子就是對(duì)應(yīng)的場(chǎng)量子化的場(chǎng)量子。當(dāng)空間存在某種粒子時(shí)，表明那種量子場(chǎng)處于激發(fā)態(tài)；反之不存在粒子時(shí)，就意味著場(chǎng)處于基態(tài)。因此，真空是沒有任何場(chǎng)量子被激發(fā)的狀態(tài)，或者說真空是量子場(chǎng)系統(tǒng)的基態(tài)。
   關(guān)于真空的近代認(rèn)識(shí)不再是哲學(xué)上的思辨，而是可通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)的。有不少現(xiàn)象都需要用真空的近代觀念予以說明。例如氫原子能級(jí)的蘭姆移位和電子的反常磁矩，實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)以非常高的精度證實(shí)了真空極化的效應(yīng)；高能正負(fù)電子對(duì)撞湮沒為高能光子，反之高能光子可使真空激發(fā)出大量的粒子，也是很好的明證。對(duì)于真空的認(rèn)識(shí)尚屬初級(jí)探索階段，物理學(xué)家還在探索真空自發(fā)破缺和真空相變等問題，必將推動(dòng)物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。
 
   真空的性質(zhì)
   真空具有如下性質(zhì)：
   1、空非無，并非什么都沒有，它是所有粒子共同的基態(tài)，可以這么說，粒子就被激發(fā)的真空，真空就是未被激發(fā)的粒子，粒子的存在就體現(xiàn)于可以被作用，或者更確切的說，粒子就是一種作用，如果粒子不能被作用，那么就可以說它是真空，任何脫離真空的所謂絕對(duì)的孤立的粒子是不存在的，真空時(shí)刻都處于一種動(dòng)態(tài)的平衡中，粒子的每一個(gè)變化都離不開與真空的互動(dòng)，粒子和真空的互動(dòng)是無時(shí)無刻都在進(jìn)行中的，任何絕對(duì)靜止的物質(zhì)是不存在的，粒子的本質(zhì)在于自身的空性。
   2、真空存在極性,因此說真空是不對(duì)稱的。但這種不對(duì)稱是相對(duì)局部的，在相對(duì)整體上又是對(duì)稱的，如此的循環(huán)嵌套構(gòu)成了真空的這個(gè)性質(zhì)。
   3、真空的每個(gè)局部具備了真空的全體性質(zhì)。大和小是相對(duì)而言的。時(shí)間也是相對(duì)于空間而言的，時(shí)間不能脫離了具體的空間而單獨(dú)的存在。
 
   真空和微重力環(huán)境利用技術(shù)
   航天器軌道飛行提供的真空和微重力環(huán)境，是一個(gè)寶庫，為人們提供了地面上難以獲得的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)工藝條件，進(jìn)行地面上難以進(jìn)行的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，生產(chǎn)地面上難以生產(chǎn)的材料、工業(yè)產(chǎn)品和藥物。
   真空和微重力環(huán)境是一種寶貴的資源。高真空或超高真空提供一種超潔凈條件。微重力則提供一種重力影響很微弱的極端物理?xiàng)l件。如由重力引起的自然對(duì)流基本消除，擴(kuò)散過程成為主要因素；流體中的浮力基本消失，不同液體密度引起的組分分離和沉浮現(xiàn)象消失，液體僅由表面張力約束；潤濕和毛細(xì)現(xiàn)象加??；流體靜壓消失。總之，由重力引起的不利因素幾乎消除。利用這些非常理想的環(huán)境，可以開展微重力技術(shù)物理、微重力生物學(xué)和微重力生命科學(xué)的研究，進(jìn)行加工工藝試驗(yàn)和生產(chǎn)制造，以及其它微重力應(yīng)用的試驗(yàn)研究。
   在高真空和微重力環(huán)境中進(jìn)行生命和生物科學(xué)實(shí)驗(yàn)，不會(huì)有有機(jī)物污染，發(fā)生混入或測(cè)定錯(cuò)誤，細(xì)菌等實(shí)驗(yàn)用的微生物不會(huì)到處擴(kuò)散，十分安全。 在零重力或微重力條件下，可進(jìn)行無容器冶煉，這不會(huì)有任何雜質(zhì)混入，可以獲得高品質(zhì)的合金；可將不同比重的金屬或非金屬均勻地混合，獲得新型合金材料；可以克服地面加工存在的組分過冷起伏和密度大等缺陷，生長出高質(zhì)量、大直徑的單晶體砷化鎵等半導(dǎo)體材料；可以生產(chǎn)百分之百圓度的滾珠軸承等圓球工業(yè)產(chǎn)品，而在地面上，由于重力的影響，滾珠軸承等總不是真正的球形。
   太空制藥是真空和微重力環(huán)境利用的重要方面。在地面上制藥，由于地球重力作用，培養(yǎng)物會(huì)發(fā)生沉淀，處在沉淀中的微生物會(huì)因缺氧而死亡；如輸氧攪拌，所形成的低壓小氣泡又會(huì)破壞細(xì)胞；如加防泡劑，則會(huì)降低氧的溶解度，有礙微生物的繁殖，形成惡性循環(huán)。而在微重力環(huán)境中，培養(yǎng)物液體中含有大量的氣泡，也不會(huì)沉淀，微生物可隨時(shí)獲得氧氣，生長速度比地面快一倍以上。可高效率、高純度地制造許多藥物，如治療燒傷的表皮生長素、治療貧血的紅血球生長素、防治病毒感染的免疫血清、治療肺氣腫的胰蛋白酶抑制素、治療血栓的尿激酶、治療血友病的抗溶血因子8、治療糖尿病的β細(xì)胞、治療癌癥的干擾素等40多種。主要的制藥方法是電泳法，將組分不同的混合物在直流電場(chǎng)作用下精確地分離成不同成份。其設(shè)備第一代為靜態(tài)電泳儀，第二代為連續(xù)流動(dòng)電泳儀.