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你知道如何稱量一粒塵埃的重量嗎?

2017-11-15 21:40:08 來源:中國科普博覽

雖然我們很想很想,但目前還不具備這個實力,也許永遠都不具備。

真空很有趣

若有人問你,在高處同時扔下一片羽毛和一個保齡球,怎樣才能讓它倆同時墜地?

無懈可擊的答案是:把它倆放在真空室中扔下。

在NASA全球最大的真空實驗室做的羽毛和保齡球自由落體實驗。

若有人問你,如何稱量一粒塵埃的重量?這顯然是很難,因為影響塵埃重量的因素太多。

而答案是,在真空下,用超微天平稱量。

再有人問你,在不加熱不冷卻的情況下怎么讓水沸騰并結冰?

答案依然是抽真空。

真空很重要

對于大眾,真空除了與食物保鮮、絕熱保溫等有關外,剩下的就只是神奇和有趣了。但對于那些耗資幾十億,甚至幾百億元的大型科研設備來說,真空與否以及真空的程度則代表成敗。

耗資80億美元以上的歐洲大型強子對撞機。圖片來自Fons Rademakers/CERN/SPL。

高能加速器內要求有很高的真空度,因為我們想要的是粒子與粒子的對碰,而不是粒子與氧氣分子、二氧化碳分子的對碰。若加速器內真空度不夠高,則高能粒子束與殘存空氣分子對碰的幾率增大,這會影響粒子束的壽命。

換句話說,高能加速器內,真空度越高,效率也就越高。

地下100米深內的大型強子對撞機,其27公里長的環形管道內為超高真空。

引力波探測器。

引力波探測器能夠測量比質子尺寸還小一千倍的位移,而它內部的真空系統是全世界最大、最純的系統之一,真空管內的氣壓只有海平面氣壓的1萬億分之一。失去真空也就失去一切,對于引力波探測器來說就是如此。

國際熱核聚變實驗反應堆ITER展開試驗時,里面的腔體也將抽成超高真空。圖片來自ipp。

可以這么說,人類目前的頂尖技術中,絕大多數都跟真空脫不開干系。真空如此重要,我們是有必要好好了解一下它。

真空的疆域

下暴雨時,握著傘的你會感受到大量雨滴對你產生的持續壓力。同理,從微觀視角上,我們感受到的以及看到的氣壓現象也是這般原理。

任何時刻,無數的氣體分子不斷地撞向掛鉤表面并反彈,就像下暴雨時,雨滴對傘施加的壓力一樣。

換句話說,相同體積內空氣分子越多,壓強也就越大(因為碰撞增多),所以,國際上是用壓強來表示真空度,壓強越小,則真空度越高。

壓強的單位是“帕”,1帕等于每平方米施加1牛頓的壓力。而一個標準大氣壓,也就是在海平面的平均氣壓約為101325帕,即在1平方米面積上有101325牛頓的壓力,也相當于1公斤物體在1平方厘米上產生的壓力。

我國對真空區域的劃分如下:

阿波羅飛船登月時,測得的月球真空最低可為10的負10帕,這意味著,月球上已經跨入極高真空的范圍了。而在3萬6公里的同步衛星軌道處,真空度最低可以達到10的負12帕。

我國著名的真空科學技術專家達道安,在其所著的書《空間真空技術》中,他推測,模擬星際空間的極高真空容器已經獲得10的負13帕的真空。

太空有多空?

上文似乎告訴我們,看來人類已經在地球上造出宇宙空間中那種極高真空了。但是且慢,10的負13帕就是宇宙空間中真空極限了嗎?

當然不是。別忘了,我們在討論月球和同步軌道處的真空度時,我們實際上還沒有離開家門口呢。

既沒有離開地月系,更沒有離開太陽系。而我們說的宇宙空間,當然是星際空間,以及星系際空間了。

在這些空間中,到底有多空?月球上屬于極高真空,這已經是人類對真空劃分的最高級別,然而,月球上每立方厘米內的粒子數依然高達8萬個以上。

而在星際空間,每立方厘米內的粒子數只有1個。在星系際空間,類似于銀河系與其他星系之間的廣袤虛空內,每立方厘米內的粒子數為10負6個,也就是1立方米內才有1個粒子。

比星系際空間更空的是宇宙空洞。

空洞內,沒有恒星、行星、星云以及星際氣體。

這種真空度,人類是無法造出來的。因為我們要在地球上造一個真空室,那么這個真空室必然是密封的,你是可以窮極各種技術,把真空室內的空氣分子全部抽出,但是別忘了真空室的密封材料本身,這些材料會源源不斷地向真空室射出粒子,你擋不住。

原標題:人類能在地球上造出宇宙空間中那種極高真空嗎?

關鍵詞: 塵埃 重量

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