跟胖哥学物理 太空是真空的么

大家都知道,宇航员在太空中必须穿航天服,因为太空近似于真空,因为气压低,如果不穿宇航服,血压和体内压强会迅速膨胀而死亡,当然太空也是没有氧气的,所有宇航服除了维持压强,还一个作用就是供氧和抵御太空中一些射线。

首先,有一个问题,什么是真空?在初中物理里为了证明真空不能传声,我们做过一个实验,不断把真空罩里的空气抽出,后来几乎就没有声音。其实,那个时候真空罩内气体没有抽完,因此不能算作真正的真空。还有一个托里拆利实验,当我们用一个一米管子装满水银,然后倒立过来放入水银糟内,由于大气压只能支撑760毫米的水银,理论上将真空管上方就是真空。

当然,这些都是从操作侧面来讲的。事实上,在真空技术里,真空系针对大气而言,一特定空间内部之部份物质被排出,使其压力小于一个标准大气压,则我们通称此空间为真空或真空状态。真空常用帕斯卡或托尔做为压强的单位。在自然环境里,只有外太空堪称最接近真空的空间。

因为真空不能传声,所有在大家印象中真空是没有任何介质的。大家都知道声波是一种机械波,而机械波在传播是必须借助物体,我们把这些物质叫做介质。在机械波中,介质特指机械波借以传播的物质。仅有波源而没有介质时,机械波不会产生,例如,真空中的闹钟无法发出声音。机械波在介质中的传播速率是由介质本身的固有性质决定的。在不同介质中,波速是不同的。笔者有一个问题,我们平常说说物质,其实就是由分子构成的固态、液态和气他,本质上这三种状态只是由于分子的间隙和说受的作用力不同罢了。

于是,笔者有一种猜想,机械波之所以需要介质,其实还是一种能量转移,分子被机械波引起了振动,之所以能转移下去,就是是分子与分子碰撞,还是分子被撞击后形成一种与场近似一种场,这种场有让另外分子引起振动,这种振动也可以是距离远近,使得物质在那个时空中引起空间的扭曲,这种扭曲跟重力引起场有着类似规律。当我们通过一根线来传声时,如果不绷紧是不会传声的,因为声音引起场让靠近它分子引起振动,但是由于这种分子间隙振动在后来里慢慢转化成物质机械能,而能量物质彼此之间摩擦而把能量消耗已尽,这样也无法把这种变化机械波(力场)传递了。

大家都知道电磁场就是由于电流变化导致的,这种电磁波也是一种场。其实,当我们把真空屏里空气抽调是时,虽然听不到声音。但是当把手机放进去,我们依然能接受到电磁波,因此真空中没有物质这种说法肯定不对,因为还有各种各样电磁波充斥在那个空间里。从物理学观点里,电磁场依然是物质一种。

现在物理学告诉我们,自然界物质包含两类: 基本粒子组成各种微观粒子,比如质子、中子、电子、原子等等;而“场”是物质的一种特殊形态,用来描述物质之间的相互作用。

一般而已,经典物理认为场具有能量和动量,这正是物质的基本属性,所以“物质场”是真实存在的。在相对论中,根据质能方程,还可以把场的能量等效为相对论质量。因此,在真空罩内,依然可以有电场、磁场。还有一个问题,在真空罩内,引力场还存在吗?其实,从我们实验结果,真空环境中引力场还是存在的。因为我们在抽气时,闹钟并没有俘起来,说明重力依然存在。

有个疑问,机械波靠什么来传递?场,既然引力场在真空中可以保留,那种为什么一般机械波产生场不能再真空传递?里面包含什么玄机呢?

太空中只是近似真空,并不是完全没有物质。只是原子或分子物质非常少,每立方米也就是一个氢原子或分子。同时还有像光子,中微子等波类物质。

喜欢天体物理同学还知道,在太空中出来一个流星和大颗粒物质外,还有一种叫做星云东西。星云,是稀薄的气体或尘埃构成的天体之一。包含了除行星和彗星外的几乎所有延展型天体。它们的主要成份是氢,其次是氮,还含有一定比例的金属元素和非金属元素。1990年哈勃望远镜升空以来的研究还发现含有有机分子等物质。

因此,太空是真空环境,而什么物质都没有。其实,宇航员穿宇航服还有抵御宇宙射线侵蚀。因为在太空中还有大量宇宙射线。

宇宙射线来自深太空与大气层撞击的粒子,成分是质子、原子核、或电子。但是,有非常少的比例是稳定的反物质粒子,像是正电子或反质子,这剩余的小部分是研究的活跃领域。

大约89%的宇宙线是单纯的质子,10%是氦原子核(即α粒子),还有1%是重元素。这些原子核构成宇宙线的99%。孤独的电子(像是β粒子,虽然来源仍不清楚),构成其余1%的绝大部分;γ射线和超高能中微子只占极小的一部分。

宇宙太复杂了,人类还有很多未知东西。随着人类人生深入,一定会破解场究竟是在真空中真实情况。毕竟,人类需要进步才能更好人生这个宇宙!

2019年4月1日于宜昌吾同斋

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