認識“真空”
(一)為紀念真空學會成立三十周年而作曹輝玲<北京真空電子技術研究所 北京100016>
摘要:真空是由空間V和粒子這個兩個要素組成的。真空技術是研究空間從無窮小—常數—無窮大時,粒子的物理行為。 即本文著重闡述“真空屬性”、“真空與環境”、“氣壓差”、“能量的獲得”、“真空”與“真空技術”、“探索真空”全文共分三個方面敘述:
(一)真空的屬性;
(二)真空技術的皇冠;1+1真空獲得技術;
(三)壓強差:氣候的改變。關鍵詞:,“屬性”、“1+1真空獲得技術”、“氣壓差”、“探索真空”
“真空”是一個十分古老而又現代概念。相對論是建立在借助光在“真空”中傳播速度恒定原理。它是文明存在基礎。104年過去了,人們不斷地認識和應用真空。真空是什么?它的產生其屬性。以及它對人類環境影響,均值將每一個真空工作者“回答”。氣壓差影響人類氣候改變“氣壓差”是否屬于“真空問題”也值得我們每一個真空工作者來“回答”。讓我們用新理念認識“真空”、探索“真空”。
一、祖先“真空”運用的理念 拔罐療法又稱“負壓療法”,是用罐狀器具扣在患處或穴位上,用燒火、溫熱或直接抽取罐中空氣(或溫水的方法造成罐中負壓)使它緊吸在皮膚上,造成瘀血現象,從而起到治療的一種常見的民間治療方法。拔罐療法在我國古代稱“角法”,是用牛羊角作罐子,后來改用竹管作罐子,z*后又改為陶制罐子和玻璃罐子。早在公元284~363年間,晉代著名醫學家葛洪(字雅川,自號抱樸子,江蘇丹陽句容人。生于西晉太康五年(284年)卒于晉興寧元年公元363年)著的“肘后備急方”中就提到“角法”。可以認為是中國拔罐療法的起源;到了公元752年,唐代王燾著的“外臺秘要”進一步闡述了角法的操作方法。在世界上許多國家如印度、希臘、前蘇聯等國使用這種療法也有較長的歷史。 壓力差:祖先的真空運用理念比意大利物理學家1643年托里拆利的試驗早1200年。
二、真空概念 “真空”概念是從一無所有的絕對虛空演化成當今內部結構極其復雜的真空的。從真空概念的歷史發展。可以看出真空概念的內涵發生了根本性的變化。真空概念也是隨著物理學的發展而不斷的被否定和變革的。
1.在古代和經典物理學時期,關于絕對虛空概念本身是否存在的爭論,隨著不同理論的發展而不斷起伏。
2.真空概念本身也經歷了自我否定的過程。
3.現代物理學的發展,使真空概念又由絕對空虛的宇宙空間過渡到有著復雜結構的物質的一種特殊形態。真空概念經過自我否定過程使其更加趨于本質和完善。現代物理學的“真空不空”與前人的“一無所有”顯然是對立。可見真空概念與對應的物理理論是緊密相關的,并且對真空的研究一直是物理學的一個基本問題。正因如此,隨著新理論對舊理論的變革和發展,也必將影響人們對真空概念的理論。反過來,人們對真空概念的研究也必將促進物理學理論的發展。70年代之后,粒子物理學的發展速度大大減慢,遇到難以攻克的難關。這就是夸克禁閉問題和物理理論的對稱性與實驗上出現對稱破缺之間難解的矛盾。還有四種相互作用力的超大統一理論的各種建模嘗試的失敗。此外,還有夸克是否還有內部結構。電子等六種粒子是否還有內部結構?希格子粒子和磁單極是否實際存在?解決上述這些關鍵性難題,還在于闡明“真空”的本質是什么這一根本性問題。而這則要靠全新物理思想為根本指導和更高能量的加速器的實驗來解決。現代物理學中,真空概念是人們通過對場的量子規律的研究得出的。真空概念代表的物理內容完全不是真空概念的本意,所以真空概念本身是不太重要的。人們并不關心它是“假空”還是“真空”,也不去爭論和追究這一點,人們所關心的是真空的物理學內容的存在,以及真空內涵的演化。
三、真空概念的內涵 真空是人們在猜測物質世界的構成及物質運動時提出的。1643年,意大利人托里拆利的物理實驗證明了真空的存在。由整個經典物理學(相對于量子物理學)中真空概念的發展可知,真空指的是空無一物的空間。科學的發展表明,經典物理學不可能真正認識到真空的內涵,對真空本質的認識是隨著量子理論的發展而突破的。量子電動力學中的真空已經不在是一個簡單的空間,真空荷流密度和強場的起伏即虛粒子的產生和湮沒賦予了真空極其復雜的結構和性質,真空可以被極化,真空荷實物粒子可以發生相互作用。在現代物理學的各前沿領域中,關于真空理論的研究和探討是異常活躍的,這反映了人們對真空的認識與現代物理學理論的發展是密切相關的。真空相變的研究無疑說明了真空完全類似于介質,不論此種介質象磁介質還是電介質,都將揭示真空物質性。現代物理學中,真空概念是人們通過對場的量子規律的研究得出的,因此人們注重真空的物理內容以及真空內涵的演化。真空具有量子特征,而且具有相互獨立的真空點,受激發時還具有穩定的介質特性,通常以磁導率u及電導率ε表示。這些都說明真空在組成上是不連續的,有量子化的組成單位。真空的基本組成單位稱為真空元素,它是宇宙中的原始物質的個體,真空的介質特性是真空元素存在的結果,真空元素中攜帶有真空信息。真空介質特性是固有的,粒子從真空中產生,反過來又是粒子決定了真空。
四、人造真空——工程真空 “給定空間”的真空即人造真空是通過對一定容積進行排氣而獲得的。其真空度隨殘余氣體所產生的低于大氣壓的壓強的降低而增高。 真空就是指在給定的空間內,氣體分子密度低于該地區一個標準大氣壓時氣體分子密度的氣體狀態。在工程應用上,真空指低于該地區大氣壓的稀薄氣體狀態。即分子密度小于約2.5×10
19 個/cm
3。真空技術是一門研究任何z*有效的,把給定空間的氣體壓力在要求時間內降低到所需程度,并予保持的學科。真空技術實際使用中進展是葛利克1654年利用真空與大氣壓之間的壓強差所產生的機械作用。真空
活塞泵抽氣獲得馬得堡半球。工程真空度的分類的系統方法是測量一個給定空間的絕對壓強,因此所說低真空、高真空和超高真空是與越來越低壓強范圍對應的。各種不同的壓強范圍的極限似乎是任意的因為每個壓強范圍都對應于一種不同的物理環境。真空工程的真空,如在10
-6托時,室溫下空氣分子每秒碰撞1厘米
2 面積上仍有3.7×10
14個到極高真空 托仍有3.7×10
6 個分子。雖然拉丁詞“Vacuum”的意思是空的。但是真空工程研究的對象卻絕對不是沒有物質的空間。真空技術是指低于環境大氣空間(空間是有限的)獲得真空和真空環境中進行工藝制作、測量、分析和科學實驗的理論和技術。其應用包括:壓力差的利用,對通過空間的粒子或分子排除干擾和減低粒子撞擊表面的次數。
五、自然真空 地球中的大氣地球大氣的質量約為5.3×10
21克,只有地球總質量的1%,但它卻是z*為活躍部分。而且對人類生存影響z*為直接,其變化在國民經濟和社會中起著巨大的作用。地球大氣的90%聚齊在離地表15公里以下的大氣層內。地球大氣部分主要為氮、氧、氬,它們為大氣總體積99.96%,其他氣體含量甚微。大氣中還有懸浮的水滴、塵埃、花粉等微粒,通稱大氣溶膠。氣體還遵循一套特殊的次要法則:
(1)當一個封閉容器中分子數量增多時,壓力會上升;
(2)如果分子數量下降一半,壓力也會下降一半;
(3)緩慢增加容器的容量,也會使氣壓下降;
(4)2、3法則還隱含有第四法則,既如果保持同樣的壓力,溫度變化必須與容量的變化相匹配。地球大氣的溫度隨高度有極明顯變化,或按溫度變化特征從地表向上可降低其分為對流層、平流層、中層和熱層。
六、真空”的自然規律 物理學是科學的經典,它們包括自然的規律,有了這些自然規律的知識,人就可以更好的理解自然。古代的“真空技術”,現代物理學的“真空”、“人造真空”、“自然真空”均遵循著相同的規律,這些不同的觀念,可用同一數學公式表示。即:其中:V代表特定“空間”或“體積”;X代表特定狀態“空間”或“體積”;F(V)代表在特定“空間”下的物理的行為;A代表在特定“空間”下的物理行為的結構和終結;
(1)當X→0時,即“空間”趨近無窮小,微觀“真空”的研究—現代物理學的“真空”。可表示為:
(2)當X→常數,即特定空間的研究。“人造真空”和“工程真空”。可表示為:古代的真空技術應用是在一個特定小體積中進行的。可表示為M
(3)當X→∞即空間趨近無窮大,宏觀世界的研究。 空氣的流動—云團可模擬一個無限大的“口袋”(即無限大的空間),大氣壓可在一個小的卻是明顯范圍內的波動。從高壓的“口袋”向壓口袋自然流動。由于地球自轉與環流力產生。引起氣壓的變化,可在地球小范圍內。≤∞產生狂風暴雨、雷電、龍卷風、颶風。可表示為
七、人造真空空間無窮大 “人造真空”的給定空間無限增大V→∞所帶來的疑難?清潔能源產生在21世紀已成為世界范圍內的熱門話題。我國一次能源以煤為主,大氣污染類型以煤煙型污染為主。2000年煙塵排放量約為1400萬噸, 排放量約達2300萬噸。鋼鐵廠、火電廠、有色金屬冶煉廠、化工廠、水泥廠的煙囪就是一個人造“
真空泵”,煙囪越高,抽速越大,一個670噸/小時的鍋爐,實測煙氧排放量160萬m
3 /h=4.45×10
5 l/s酸沉降和SO
2污染一直是國際科學界和各國政府關心的重大環境問題。控制生態環境酸化,面臨技術和經濟挑戰,科學上存在巨大風險。我國是世界上煤炭生產國和消費國,占世界煤產量的25%。煤炭占我國一次能源消費量的75%。但也因此產生了嚴重的環境污染問題。煤的清潔燃燒是煤的潔凈技術的重要組成部分,也是實現可持續發展,解決我國大氣污染的主要措施。國內外文獻記載,消除煙塵污染有100多種方法。目前國內外流行的主要是干法、濕法、電子束轟擊法和活性炭吸附法。我們采用“真空吸附法”屬于國內外s*創。真空吸附法的特點是:
1.用特殊真空泵代替煙囪,將煙塵吸入密閉真空系統進行物理與化學作用,將“廢物”變為“寶”,處理后煙囪變為新鮮空氣。全國43萬煙囪可望無煙。
2.在真空中進行二次能源交換,是z*有效二次能源利用。循環水吸收排放煙氣的熱量,可是水溫高達65℃。
3.不同性質的氣體在同一溫度、同一分壓下溶解度不同。氣體的溶解度與溫度有關,氣體的溶解度隨溫度升高而減少。真空吸附法是真空低溫狀態進行,其物理與化學反應徹底。
4.從煙氣中吸附的 可生成稀硫酸或硫酸。變“害”為“利”。(稀硫酸10%。使用問題尚待解決。)
5.在真空中氣氛純凈,物理與化學過程進行迅速,吸附劑、催化劑、還原劑壽命長。
6.該法稍加改動便可推廣到鋼鐵廠、有色金屬冶煉廠、化工廠、水泥廠等各種污染源的治理。
7.運行費用低。經濟與社會效益高,有很高的推廣價值和廣闊的應用前景。 為了子孫后代,面對地球生態環境日益惡化,每一個有良知的人們都會明白,保護環境,拯救地球是我們人類共同的責任。
8.它是解決V→∞增大的范例。
八、“真空”與“真空技術” 在我們地球上,“人造真空”是通過對一容器進行排氣而獲得的,而地球是“自然真空”的制造廠。每天制造新的真空狀態,此狀態是動態的,永遠更新的、破壞性的、也是令人興奮的,有時是美麗的。真空工業的發展極為顯著,真空科學與科學研究中只是一門實驗技術,而在現代工業生產中卻成一門基本技術得到廣泛應用,而且在不斷擴大真空的應用領域。30年來真空技術工作者,在各個領域上對真空獲得、測量、檢漏,真空運用取得斐然的成就。對真空運用服務學科掌握很有特色與科學。但對“真空”本質未能研究,仍然停留幾百年前水平。現在只有少數的“大學”“研究所”,從事“真空技術”潮流的研究,工廠在為效益而努力。對于“真空”本質無人問津。
“真空”什么?如何認識它?掌握它?均待努力探討!
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