认识宇宙真空，除了观测，还有计算
时间：2020-12-10 08:00:44 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
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。
