《一位老工程师的前沿物理科普贴》
第13节作者:
浅论物理 我们再说一个简单的例子,原子结构今天对大家来说已经不陌生了吧。原子的体积自然包含有围绕原子核旋转的电子轨迹在内。我们暂且忽略原子核内的间隙不计;用整个原子的体积与原子核的体积作一个比较,就可以知道原子本身内部绝大部分体积是间隙、或者说是空间也行。具体来讲,原子半径的数量级单位是10^(-10)米;而原子核半径的数量级单位是10^(-14)米,故尔两者体积要相差10^(-12)倍。其实不然这也是原子与中子密度相差的倍数。当然我们若直接用该原子的密度去与黑洞的密度比较一下就更可以得出原子内部空间所占的这绝大部分比例是多少。以上主要是在理论上说明,层次越小的微粒,本身内部间隙越小,并且不同层次的微粒间,自身内部所含的间隙在数量级上的差异是相当大的。
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日期:2009-10-26 08:39:31
当由原子组成分子时,分子内部间隙又呈阶梯状数量级关系增加了。我们所常见的物质都是由分子组成的,分子内部的间隙其实是很可观的,只是我们观察不到而已。将黄金与铅紧密贴合长时间存放后会令人惊奇地发现:黄金分子会渗入到铅当中去了;同样铅分子也向黄金中扩散渗入了进去。这说明在我们往往想象不到时,物质实体中竟然还存在着允许分子相互渗入的那么大的间隙。就此我们应该不难理解各种宇宙微粒如何能自由地穿梭行走于物体之中;就是我们的身体也无时无刻不在被无数粒子穿行而过。躲藏在千米厚岩层之下进行的物理实验,也就仅仅是在尽量减少不速之客外来粒子的干扰。
总之,在分析宇宙空间总体积,与宇宙中全部不含间隙的物质体积之比为无穷大时。具体说相当于直径300亿光年的球体积与宇宙大爆炸前的黑洞奇点体积之比。同时需要说明一下,整个宇宙的质量全部为物质所拥有。而我们所讲的几乎拥有全部体积的是称作真的真空的部分,其质量反倒为零。
至于如何解释,为何宇宙中全部物质的体积,仅仅是黑洞中奇点那么一点,直径接近于零。而光是我们脚下的地球半径就有6370千米。太阳半径是70万千米,质量相当于地球的32.4万倍。太阳所在的银河系拥有3000亿颗恒星,宇宙又拥有无数个相当于银河系那么大的星系,它们的体积又都到哪里去了?其实相对于300亿光年直径的球体体积来说,宇宙中所有星系中的所有亿万颗星球的可测量的外观体积;举例来讲仅地球的外观体积就为6370公里半径的球体;这些体积全部加在一起也只占宇宙总体积的很小的一部分;虽然它们和暗物质拥有了宇宙中100%的质量。另外,最重要的在前面已经分析过了,宇宙物质的体积本来就只有奇点那么一点点大,这奇点里面蕴藏有大爆炸后逐渐形成的全部宇宙的物质,它们正以最原始的物质的微粒形式存在。大爆炸后,在原始物质微粒逐阶层组成各阶层的粒子、直到夸克、原子、分子、物体时;每一层次均类似蒸蛋糕般的产生了比原组成的物质体积大无数倍的间隙。在前面提到的由原子核组建原子时体积就增大了10^12倍;而实际上组成原子核的中子、质子本身存在的内部间隙又比构成它们自身的物质的体积大了无数倍。所以,在这种多次的,每次均如同吹肥皂泡一般的由低级物质组建高一层物质的过程中,后来形成的各种天体、星球中实物的真正体积只占其可视体积的微不足道的一丁点了。我们再想拿一般物质、白矮星、中子星、黑洞各自的密度作一下比较就不难理解了。
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日期:2009-10-27 09:00:20
再进一步举例来说,地球大气中一般在标准状态下,1升体积中有2.5×10^22个气体分子。但是我们不能说2.5×10^22个气体分子的体积就是1立方分米。否则我们将这些气体放入容积增大十倍的密闭容器中,肯定它们会迅速扩散满整个容器,那么这时我们能说这2.5×10^22个气体分子的体积为10立方分米吗?反之如果我们对它们加压、降温;在它们体积减少的过程中甚至变成液体时,我们又究竟何时能断言这2.5×10^22个气体分子的体积到底是多大呢?正确的答案应该是找到每个分子的真正体积乘以它们的个数就是它们的体积。无论它们是在多大的容器内、在多大的压力下;也不论它们是以气体、液体、甚至固体状态存在,它们这些物质都永远只有这一真正的共同的体积。其余的在不同状态下虚增的大小不等的体积,只说明它们在不同状态下拥有的间隙大小不同。
现在,再回到本章正题“真空”上就好谈多了。我们在这里所谈的真空并非是以前经典物理中所定义的那种真空——仅仅是不存在分子状态物质的空间。我们所指的是广义的真空。也就是一开始就曾经说明的那不含有任何形态物质的空间。
前面所讲的,主要是指明由于宇宙中始终到处存在着那些驱之不掉、阻挡不住的微粒,这使我们现在还难以制造出这么一个真的真空宝地来,从而可以不遭受任何干扰地来进行必要的物理实验。
既然宇宙空间,全部物质的体积之和小到几乎可以忽略不计的程度;就是将全部物质、甚至天体内部所包含的间隙的体积全部算上,也依然是小到微不足道的程度。那么宇宙中不就应该到处都拥有无以计数的真空了吗?事实却全然不是这么回事。反倒在这方面令人十分沮伤,仅仅是想找一小点这一方真空净地也太难以实现了。
我们再回到宇宙的起源去,从大爆炸开始形成宇宙。黑洞中的组成整个宇宙的原始物质,磅礴而出,同时随机地根据当时所处的温度、压力等等条件,开始逐层组成各种微粒直至原子。原子又依据当时的客观条件形成分子或进行各种核聚变、核裂变。在宇宙大爆炸的整个膨胀过程中,只要客观条件形成,上述各种反应立刻进行。弥漫散布在整个所涉及的空间,随着时间的流逝,温度、压力的不断降低,新的反应逐渐减弱。在膨胀的同时,由于万有引力的作用,弥漫于太空中的物质开始随机的聚拢成团。聚拢得越大引力越强,更容易形成星球。相邻较近的星球形成了一个个星系,而星球本身附近有的还会吸引一些小星团成自己的卫星或星云等等……。
这样原先还比较均匀分布在太空中的物质,由于它们自身的凝聚作用,变得不均匀了。众多物质集中到一起聚成无数个星系,整个宇宙还在继续膨胀,星球之外、星系之外的空间越来越大、物质越来越稀薄,真空度也越来越高。但最终也没有形成我们所希望得到的真正的真空的原因在于:无数各种高能、低能粒子的无休无止的骚扰上。
在宇宙诞生的整个过程中形成了无数高能量微粒。它们没有参与形成其它物质;或者有的是又从已形成的物质中因核聚变、核裂变以及其它高能物理反应中逃逸出来或新诞生的。它们具有可与光子相媲美的速度,别的物体很难捕获它们。我们知道,速度达到11.2千米/秒第二宇宙速度,就可以逃逸地球;达到16.7千米/秒第三宇宙速度,就可逃逸太阳系;光子只有黑洞才能捕获住。
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日期:2009-10-28 09:00:27
这些高能量粒子,并非老老实实的呆在太空中静止不动。而是一直不停息地高速运动。并且大多没有什么固定的运动轨迹可循。否则的话太空中就会产生许许多多真的真空地带。而这些无遮无阻的高速运动的粒子,漫无边际地一直无规则的运动,使整个空间几无宁时,不断受其骚扰。这有些类似分子在液体或气体中作布朗运动一样;怎么可能在这样的液体或气体中找到一点不受这些分子干扰的安宁之地。所以说宇宙空间确实不小,简直大极了,根本找不来可填充它们亿万分之一体积的物质,似乎应该能形成无数多且无数大的真的真空。可是这仅仅是无数瞬间一直存在的事实,但是谁能料到何时这些一直在太空中不息地作布朗运动的高能粒子,会不时地闯入呢?谁又敢断言哪一个瞬间、哪一点空间才算是真的真空地带呢?
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