宇宙真空學(xué)的發(fā)展

達(dá)道安1 楊亞天2

1).中國航天科技集團(tuán)公司五院五一零所; “真空低溫技術(shù)與物理”國家實驗室 2).福建師范大學(xué)物理系

　　摘要：本文全面綜述了作者創(chuàng)建的《宇宙真空學(xué)》的概念、內(nèi)涵、研究內(nèi)容、基礎(chǔ)理論及數(shù)學(xué)計算結(jié)果。分析了該理論的正確性、自洽性，一致性，比較了理論計算結(jié)果和實際觀測的符合性，得到了新的計算結(jié)果，預(yù)言了新的現(xiàn)象。把真空科學(xué)技術(shù)推廣到宇宙空間，是一門全新的理論體系，形成了一個新的學(xué)科領(lǐng)域。

　　1.人們通常用玻耳茲曼氣體分子分布律公式計算地球表面附近的大氣分布，計算結(jié)果和實測數(shù)據(jù)符合較好。但是，當(dāng)用此公式計算全宇宙空間氣體的總分子數(shù)時出現(xiàn)了發(fā)散。表明玻耳茲曼公式只適用于行星表面附近，而不能用于整個宇宙空間。本文對玻耳茲曼公式出現(xiàn)發(fā)散的原因進(jìn)行了分析，通過引入新的歸一化因子，解決了玻耳茲曼的發(fā)散困難，得到了新的行星大氣分布律公式。由此公式出發(fā)推導(dǎo)出行星大氣總分子數(shù)公式，計算了地球大氣總質(zhì)量，和實測值符合。預(yù)測了月球、火星的大氣總質(zhì)量，尚待驗證。推導(dǎo)了行星大氣總質(zhì)量隨高度的分布公式，行星大氣密度隨高度的分布公式，行星大氣壓力隨高度的分布公式-高度計公式。用以上公式計算了地球大氣的相關(guān)特性，符合性很好。首次給出了太陽系八大行星大氣密度隨高度的分布計算數(shù)據(jù)和圖表。

　　2.假定行星大氣是在行星生成、演變過程中形成的，行星大氣受行星引力約束且不斷地逃逸。建立了行星大氣逃逸方程，定義了行星大氣逃逸壽命。分別推導(dǎo)出了行星大氣層等溫分布和不等溫分布兩種狀態(tài)的行星大氣逃逸壽命的數(shù)學(xué)表達(dá)式。計算了地球、金星濃密型大氣層的壽命，結(jié)論是遠(yuǎn)大于它們自身的壽命，大氣層非常穩(wěn)定。計算了月球、火星等稀薄型大氣層的壽命，結(jié)論是遠(yuǎn)小于和接近于行星自身的壽命，解釋了行星表面大氣密度不同的觀測事實。

　　3.應(yīng)用行星大氣逃逸理論還可計算行星大氣組份的壽命。例如計算了月球、火星表面水汽分子的逃逸壽命。結(jié)果指出;月球、火星水汽分子的壽命均小于行星自身的壽命，解釋了月球、火星表面沒有液態(tài)水存在的事實。考慮到水冰的蒸汽壓低，建立了水冰升華水汽分子的逃逸方程，通過計算給出了火星水冰在溫度180K 下可以保存至今，解釋了火星南北極附近表面存在大量水冰的事實。計算指出月球水冰在100K 溫度環(huán)境下可以保存到現(xiàn)在。解釋了美國科學(xué)家在月球南極凱布斯深坑發(fā)現(xiàn)存在水冰的觀測事實。

　　4.大氣的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分布告訴我們：在宇宙空間約束大氣分子的力，除行星和大氣的引力外還應(yīng)考慮的其它力的存在。作者認(rèn)為暗物質(zhì)有可能貢獻(xiàn)出對行星大氣分子空間分布起作用的引力，并猜想物質(zhì)分子是由基本粒子和真空構(gòu)成的，把真空作為物質(zhì)的組成要素之一。假定真空是一個連續(xù)、均勻分布在宇宙空間的能量場，作為一種力的傳媒介質(zhì)，它可以傳遞物質(zhì)間的四種作用力-引力、電磁力、強(qiáng)作用力、弱作用力。真空充滿在物質(zhì)內(nèi)部的微觀空間和物體間的宏觀空間以及沒有實物物體存在的宇宙巨觀空間。所有的物體都帶著體內(nèi)的真空場并在宇宙的真空場運動時，發(fā)生真空場的交換力。正是由于考慮了真空場對分子的相互作用，才使行星大氣的總分子數(shù)接近收斂。最近很受關(guān)注的希格斯(Higgs)場可能是真空場的組成之一。從物理本質(zhì)解釋了新的行星大氣分布律收斂的原因。

　　本文建立了完整的宇宙真空科學(xué)理論，克服了玻耳茲曼氣體分子分布律的發(fā)散困難，給出了新的、自洽的宇宙空間大氣分子密度分布律公式。不僅在行星表面和玻耳茲曼公式一致，而且在全宇宙范圍內(nèi)理論計算的結(jié)果和實際觀測數(shù)據(jù)的符合性很好。該理論的建立對航天器的軌道設(shè)計、航天器在行星表面的降落技術(shù)、航天器從行星表面的返回技術(shù)有理論指導(dǎo)意義和實際應(yīng)用價值。

　　附言，僅供參考：

　　本文的全部內(nèi)容已由作者整理成專著《宇宙真空學(xué)》，得到國家科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)著作出版基金資助，基金委員會評審意見如下;。

　　國家科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)著作出版基金委員會評議意見：

　　本書系原創(chuàng)性實驗技術(shù)及基礎(chǔ)理論專著，系統(tǒng)總結(jié)了作者三十年來在極高真空技術(shù)與物理、可變翼軌道分子屏技術(shù)和理論、宇宙真空學(xué)方面具有自主創(chuàng)新的研究結(jié)果。書中推導(dǎo)出的行星大氣總質(zhì)量公式、行星氣體總質(zhì)量隨高度分布公式、行星氣體分子密度隨高度分布的氣壓計公式等具有很強(qiáng)的原創(chuàng)性。

　　本書具有原創(chuàng)性，發(fā)展了極高真空技術(shù)與物理，建立了宇宙真空學(xué)的理論基礎(chǔ)，把真空科學(xué)技術(shù)從地面延伸到宇宙真空，填補(bǔ)了空白，國內(nèi)外尚無相似著作出版。對發(fā)展我國真空科學(xué)技術(shù)、深空探測等方面有重要的指導(dǎo)作用和應(yīng)用價值。

　　本書可供研究生及科研人員學(xué)習(xí)，對航天科技人員有實際指導(dǎo)作用。

　　本書作者長期從事極高真空科學(xué)技術(shù)及其在航天技術(shù)應(yīng)用的研究工作，取得了多項重要的研究成果，發(fā)展了極高真空技術(shù)與物理，建立了宇宙真空學(xué)基礎(chǔ)理論。<宇宙真空學(xué)>專著將作者多年來重要的科研成果進(jìn)行整理匯編，是一本具有原創(chuàng)性實驗技術(shù)及基礎(chǔ)理論的專著。對發(fā)展我國真空科學(xué)技術(shù)、深空探測等方面有重要的指導(dǎo)作用和應(yīng)用價值，國內(nèi)外尚無相似著作出版。