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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(lái)源:中國(guó)科普博覽

雖然我們很想很想,但目前還不具備這個(gè)實(shí)力,也許永遠(yuǎn)都不具備。

真空很有趣

若有人問(wèn)你,在高處同時(shí)扔下一片羽毛和一個(gè)保齡球,怎樣才能讓它倆同時(shí)墜地?

無(wú)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(shí)驗(yàn)室做的羽毛和保齡球自由落體實(shí)驗(yàn)。

若有人問(wèn)你,如何稱量一粒塵埃的重量?這顯然是很難,因?yàn)橛绊憠m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(wèn)你,在不加熱不冷卻的情況下怎么讓水沸騰并結(jié)冰?

答案依然是抽真空。

真空很重要

對(duì)于大眾,真空除了與食物保鮮、絕熱保溫等有關(guān)外,剩下的就只是神奇和有趣了。但對(duì)于那些耗資幾十億,甚至幾百億元的大型科研設(shè)備來(lái)說(shuō),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(qiáng)子對(duì)撞機(jī)。圖片來(lái)自Fons Rademakers/CERN/SPL。

高能加速器內(nèi)要求有很高的真空度,因?yàn)槲覀兿胍氖橇W优c粒子的對(duì)碰,而不是粒子與氧氣分子、二氧化碳分子的對(duì)碰。若加速器內(nèi)真空度不夠高,則高能粒子束與殘存空氣分子對(duì)碰的幾率增大,這會(huì)影響粒子束的壽命。

換句話說(shuō),高能加速器內(nèi),真空度越高,效率也就越高。

地下100米深內(nèi)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī),其27公里長(zhǎng)的環(huán)形管道內(nèi)為超高真空。

引力波探測(cè)器。

引力波探測(cè)器能夠測(cè)量比質(zhì)子尺寸還小一千倍的位移,而它內(nèi)部的真空系統(tǒng)是全世界最大、最純的系統(tǒng)之一,真空管內(nèi)的氣壓只有海平面氣壓的1萬(wàn)億分之一。失去真空也就失去一切,對(duì)于引力波探測(cè)器來(lái)說(shuō)就是如此。

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆ITER展開試驗(yàn)時(shí),里面的腔體也將抽成超高真空。圖片來(lái)自ipp。

可以這么說(shuō),人類目前的頂尖技術(shù)中,絕大多數(shù)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(shí),握著傘的你會(huì)感受到大量雨滴對(duì)你產(chǎn)生的持續(xù)壓力。同理,從微觀視角上,我們感受到的以及看到的氣壓現(xiàn)象也是這般原理。

任何時(shí)刻,無(wú)數(shù)的氣體分子不斷地撞向掛鉤表面并反彈,就像下暴雨時(shí),雨滴對(duì)傘施加的壓力一樣。

換句話說(shuō),相同體積內(nèi)空氣分子越多,壓強(qiáng)也就越大(因?yàn)榕鲎苍龆?,所以,國(guó)際上是用壓強(qiáng)來(lái)表示真空度,壓強(qiáng)越小,則真空度越高。

壓強(qiáng)的單位是“帕”,1帕等于每平方米施加1牛頓的壓力。而一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)于1公斤物體在1平方厘米上產(chǎn)生的壓力。

我國(guó)對(duì)真空區(qū)域的劃分如下:

阿波羅飛船登月時(shí),測(cè)得的月球真空最低可為10的負(fù)10帕,這意味著,月球上已經(jīng)跨入極高真空的范圍了。而在3萬(wàn)6公里的同步衛(wèi)星軌道處,真空度最低可以達(dá)到10的負(fù)12帕。

我國(guó)著名的真空科學(xué)技術(shù)專家達(dá)道安,在其所著的書《空間真空技術(shù)》中,他推測(cè),模擬星際空間的極高真空容器已經(jīng)獲得10的負(fù)13帕的真空。

太空有多空?

上文似乎告訴我們,看來(lái)人類已經(jīng)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(fù)13帕就是宇宙空間中真空極限了嗎?

當(dāng)然不是。別忘了,我們?cè)谟懻撛虑蚝屯杰壍捞幍恼婵斩葧r(shí),我們實(shí)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(yáng)系。而我們說(shuō)的宇宙空間,當(dāng)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(jīng)是人類對(duì)真空劃分的最高級(jí)別,然而,月球上每立方厘米內(nèi)的粒子數(shù)依然高達(dá)8萬(wàn)個(gè)以上。

而在星際空間,每立方厘米內(nèi)的粒子數(shù)只有1個(gè)。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(nèi),每立方厘米內(nèi)的粒子數(shù)為10負(fù)6個(gè),也就是1立方米內(nèi)才有1個(gè)粒子。

比星系際空間更空的是宇宙空洞。

空洞內(nèi),沒有恒星、行星、星云以及星際氣體。

這種真空度,人類是無(wú)法造出來(lái)的。因?yàn)槲覀円诘厍蛏显煲粋€(gè)真空室,那么這個(gè)真空室必然是密封的,你是可以窮極各種技術(shù),把真空室內(nèi)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(huì)源源不斷地向真空室射出粒子,你擋不住。

原標(biāo)題:人類能在地球上造出宇宙空間中那種極高真空嗎?

關(guān)鍵詞: 塵埃 重量

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