宇宙是由物質加真空構成的由於物質是有限的，所以宇宙也是有限的

天地四方曰宇，往古來今曰宙。從幾何學角度來看，宇是指三維（x，y，z）幾何空間，

其維度從-∞∞，是無限的。宙是指時間維度t，從0∞，表示從宇宙大爆炸開始一直不停運動，而運動的結果是進化。總而言之，宇宙是指包括x、y、z、t四維坐標系的時空。建立宇宙真空學，不僅要知道宇宙真空的現狀，還要表達宇宙真空隨時間變化的規律，從而推導出以前的狀態，預言今後的演化。大自然從來不會欺騙我們，但由於我們沒有認清大自然而盲目行動，往往受騙。

黑格爾說：「一個民族總要有一些仰望星空的人，他們才有希望。」人類仰望星空，對宇宙的無窮性充滿好奇和探索欲，對飛天充滿嚮往。人類在探索宇宙的實踐中增長知識、鍛煉技能、改造世界觀，但又不能沉浸於仰望星空的滿足感，更需解決探索過程中遇到的實際問題，以使夢想和實踐結合、知與行辯證統一。

我們這些長期從事航天探測研究的人想要航天器長期、可靠地生存在宇宙空間，就要回答宇宙中的大氣分子總質量是多少，它們是如何分布的，大氣分子對航天器產生多大阻力、有多少影響，行星表面大氣壓力、大氣成分、大氣溫度為何不同，行星表面有水嗎，行星上有生命嗎等這類問題。如何解決這些問題呢？

宇宙真空不是空的

真空不是空無一物的幾何空間，充滿了物質或能量（未被激發的場），真空是已知物質真空。真空有物理特性，例如真空有不為零的介電常數和磁導率，可以傳遞引力、電磁力、強作用力（核力）和弱作用力等，具有形成物質傳媒介質的功能。真空是形成物質的必要條件，也是物質存在的充分條件。換句話說，粒子、原子、分子、晶體、非晶體等實物質是由真空加上實物粒子組成的。原子是由原子核（質子+中子）、核外電子加真空組成的。分子是由原子加真空組成的。固體、液體分為晶體、非晶體、准晶體、玻璃態體等，是由原子（分子）加真空構成的。只有物質粒子加真空才能構成完整、封閉的物質系統。物質中的微觀真空、工程中的宏觀真空以及宇宙中的巨觀真空均勻、平滑地連接在一起，成為組成物質世界的基本要素。

宇宙是由物質加真空構成的。由於物質是有限的，所以宇宙也是有限的。但宇宙可以是很多個，它們之間的幾何空間是連續的，但物質真空是斷開的。

物體做勻速直線運動時不會改變運動途徑的真空狀態。但做加速運動時，單位時間通過物體內部的真空流量會變大，產生對被加速系統的反作用力，也就是被加速系統感受到的慣性力。如果慣性力是引力的體現，意味著只有當物體做加速運動時才能產生引力。

宇宙真空學研究的是行星表面以上的宇宙真空環境，尤其是在行星重力場作用下的大氣分子的運動規律。宇宙真空是開放的，無容器、無邊界的，具有無限容量和無限抽速的天然真空，大氣分子處於非平衡態，完全不同於地面真空科學技術體系的研究對象。

1647年9月16日，法國科學家帕斯卡和皮埃爾（帕斯卡的姻兄）在克萊蒙佛朗附近的多姆山進行了一項著名的實驗。他們分別在山頂和山腳測量大氣壓力，發現大氣壓力隨離地面高度的增加而減小，並發現大氣壓力表現為各向同性。如果把帕斯卡的實驗結論外推到宇宙空間，就可得出宇宙空間處於天然真空狀態的結論。

宇宙真空與航天技術

20世紀中期，人們發明了火箭技術。1957年，蘇聯用多級火箭把第一顆人造地球衛星送入地球軌道。

1959年，加加林駕駛宇宙飛船進入宇宙空間。

1969年，美國的「阿波羅」飛船把宇航員送上月球。

從此，人類擁有了進入宇宙太空的能力。

近年來，世界各國相繼開展探測月球、火星、金星、小行星的活動。所有的空間探測器、衛星、飛船不僅飛行而且生存在宇宙真空環境中。長時間和宇宙真空環境發生相互作用，航天器的工作性能、可靠性及壽命都會受影響。火箭上升時和大氣層摩擦發熱，需加防護罩保護。航天器繞地球軌道飛行時遇到大氣阻力，運行軌道會不斷降低，壽命會受影響。航天器返回地面再入大氣層時產生的熱量，使航天器溫度升高，並使航天器周圍大氣分子電離為等離子體，出現黑障現象等。要解決這些問題就需要弄清從行星表面向上一直到行星際，星系間的大氣密度空間分布以及隨時間的演變規律、在軌飛行航天器周圍氣體分子分布狀態以及與此相關的真空測量、校準技術，並藉此理論給行星探測活動一些理論指導，或者給探測結果做出合理的解釋和預測。

例如，月球表面為何處於極高真空狀態？火星表面為何沒有液態水？要讓航天器在行星表面降落、著陸、巡航、勘測、取樣及返回，特別是讓航天員出艙活動，必須了解宇宙及行星表面的真空或大氣特性。要解答這些問題，必須建立新的宇宙真空學理論。

長期以來，科學家通過天文觀測和航天器探測得到了大量的有關行星大氣特性的數據，拍攝了大量的照片，經過分析整理得到了許多觀測結論。我們需要根據這些觀測結論建立完整的理論體系，指導今後宇宙真空的探測工作。

基於上述思路，作者經過十多年的思考、研究，建立了宇宙真空學的理論體系，內容包括行星際大氣密度分布律、行星大氣組成部分分布律、行星大氣壓力分布公式、行星大氣逃逸方程、行星大氣壽命、行星表面水汽存在的壽命、行星表面冰存在的壽命等數學表達式，在軌航天器周圍的真空環境以及宇宙真空測量的理論與技術，宇宙真空的物理本質等，形成了較完整的宇宙真空學理論體系。

按照現代物理學的認識，物理真空是量子系統能量最低的能態（基態）。人們用人工技術獲得了10-11帕的極高真空度，其大氣密度約為104摩/立方厘米。宇宙空間大氣密度更低，存在沒有實物粒子的局域物理真空環境。

行星的大氣構成算出來

宇宙空間的大氣密度分布如何用數學表達呢？1859年麥克斯韋研究了氣體分子按動量和坐標在空間的分布後，推導出了麥克斯韋速度分布公式。玻耳茲曼研究了處於外力場中的氣體按總能量的分布，

並認為火箭結構圖外力場中分子的勢能只是它的質心坐標的函數，像引力場一樣沿Z軸均勻分部，得到了外力場中的玻耳茲曼大氣分子密度分布公式。用該公式計算近地表面的大氣密度隨高度分布時，符合性較好，但計算宇宙中行星大氣總分子數時給出了發散的結果。

地面真空科學技術的研究對象是一個容積有限的真空容器，氣體分子不能逃出容器，用氣體分子處於平衡態時的狀態方程表達氣體壓力是足夠精確的。而宇宙真空環境是開放的，氣體分子在行星引力場的約束下處於緩慢變化的非平衡態或准靜態。顯然，在宇宙真空中，由於容積無限且不能忽略行星引力和氣體的逃逸，用流體靜力學方程計算大氣壓強或總分子數時出現了發散，和狀態方程是不相容的，要解決這一難題必須另闢蹊徑。

蘇聯科學家朗道等指出，由於行星引力不夠強，行星大氣分子不能達到平衡態，大氣分子不斷從行星逃逸，向宇宙空間彌散。因此，玻耳茲曼氣體分子分布律不適用於全宇宙範圍。最早研究這一問題的是英國皇家學會會員、著名天文學家J.H.金斯，他仍然使用玻耳茲曼氣體分子分布律，只是近似地認為行星大氣總分子數等於距地面高度為標準高度H、底部面積為地球圓截面的圓柱體內的分子數，略去了標準高度以外的大氣分子。其計算精度可滿足當時觀測行星大氣的需要，但不能解決星際探測的問題。

我們從物理機制出發，引入行星大氣分子自引力、行星大氣分子和真空場的作用力，補上了行星引力的不足。在數學技巧上，採用重整化法，解決了玻耳茲曼氣體分子分布律的發散問題，得到了新的行星大氣分子分布律和行星大氣逃逸方程，應用於實例時取得了良好的結果，建立了宇宙真空學。該理論物理概念清晰、正確，數學推導嚴格、準確，理論計算值與實際觀測結果符合，應用於行星表面附近（數十千米）時和玻耳茲曼氣體分子分布律一致，是兼容的。新理論幾乎可以解釋所有已觀測到的與行星大氣相關的現象，同時又給出了一些新的預言，顯示出該理論在全宇宙範圍的適用性。

由該理論可推導出行星大氣總質量公式及行星大氣密度分布公式。運用這些公式，可計算出地球大氣總質量為5.26×1018千克，而通常認為，地球大氣總質量為5.3×1018千克，符合性很好。同樣，可算出火星及月球的大氣總質量分別是2.9×1016千克、9.6×103千克。這是首次得到的理論計算值。美國出版的《太陽系百科全書》給出了月球大氣總質量，其估計值約為1萬噸，符合計算值。

既然可以計算出地球大氣總質量，在已知地球大氣組成部分的情況下，可算出地球大氣各組成部分的總質量，包括影響人類生存的氧氣、氮氣、水汽及二氧化碳的總質量。一般來說，若大氣中的二氧化碳含量超過1%，地球就不再適於人類生存。用該理論計算，如果二氧化碳的排放量持續以如今每年0.4%的速率遞增，再過千年左右，地球的大氣環境就不再適於人類生存了。

這顆星球有沒有水？

任何一個物體的速度只要大於行星的逃逸速度就會逃向宇宙空間。但氣體分子不同於火箭，其速度大於逃逸速度僅是逃離地球的必要條件。由於行星表面的氣體分子密度較大，分子之間碰撞頻率高，氣體分子會在碰撞過程中交換動量、改變速度，就算它們的速度大於行星的逃逸速度，也逃不出去。氣體分子逃出行星大氣的必要且充分條件是：氣體分子的速度大於逃逸速度，同時該分子所在界面的大氣非常稀薄，氣體分子間的平均碰撞距離（平均自由程）很長，使得氣體分子在和其他氣體分子發生碰撞前已經逃出了大氣層。我們把此界面定義為逃逸界面，給出了數學表達式，推導出了行星大氣逃逸方程，定義了大氣逃逸率，其倒數即為逃逸壽命。為提高理論計算精度，把行星大氣層按高度分為數個等溫區疊加，推導出了行星大氣逃逸率或逃逸壽命的計算公式。

根據計算，地球大氣的壽命為4.2×1094年，遠遠大於地球的宇宙年齡4.5×109年，人類是非常幸運的。金星的大氣壓力為90千克/平方厘米，是地球大氣壓力的90倍，壽命約為7.7×1077年，遠大於金星的年齡。火星大氣中的二氧化碳、氮氣、氧氣的壽命均大於火星年齡，唯有水蒸氣的壽命僅為2.2×108年，是火星年齡的1/20，所以火星表面沒有液態水，但存在河道和湖泊的殘跡。

進一步分析發現，火星上的液態水先蒸發成水蒸氣，然後逃逸出大氣層。逃逸量的大小和蒸發量成正比，而水冰的升華速率比液態水小許多。根據水冰逃逸方程，若火星表面溫度低於180開，火星表面的水冰可以保存到現在。火星南北極冬季的大氣溫度低於150開，中緯度冬季大氣溫度也在190開以下，所以那裡還有少量的冰存在。

月球大氣非常稀薄，大氣壓力為10-10帕，處於極高真空狀態。月球質量約為地球的1/81，約束不住大氣分子，而白天大氣溫度又很高，達到400開，致使月球大氣不斷逃逸。現在月球表面的大氣全是太陽風的成分，如氫、氦、氖和氬。

近年來，美國、俄羅斯相繼提出建立月球基地的設想計劃，

為開發月球資源和登陸火星做準備。月球有水源嗎？行星大氣逃逸理論可以回答這一問題。月球表面從來沒有水，但有水冰保存到現在。根據行星大氣逃逸理論，月球上的水冰只能在溫度低於100開的環境中存在。月球表面有沒有長期持續處於100開以下的熱環境存在？月球表面大氣非常稀薄，太陽光直接照射到月球表面，熱流密度為1300瓦/平方米。地球大氣層對太陽的平均反射率為36%～42%，地球也會向月球發出紅外輻射，熱流密度約為200瓦/平方米。月球水冰要遠離這些熱源才能保存下來。滿足這種條件的地方只有環形山的陰面下部，上大下小的圓環形的深坑底部，最好在常年平均溫度最低的兩極附近。2011年，美國航空航天局利用報廢的「半人馬座」火箭撞擊了月球南極附近環形山下深寒的凱布斯坑，在撞擊後的塵埃中發現了豐富的水冰，含量在數十千克量級。由於月球沒有大氣層保護，隕石直接墜入月球表面，在月球南北極附近形成了大量深寒的類凱布斯坑，坑中儲存著大量的水冰。美國、印度的科學家發現，月球北極至少有6億噸水冰。

月礫中含有豐富的氦3，它是理想的清潔能源，是熱核反應的原料。美國人分析了「阿波羅」登月艙帶回的月礫，認為月球中氦3的總量約為100萬～500萬噸。如能收集、運回月球上的氦3，人類將得到一種持續、清潔、安全和高效的熱核聚變發電燃料，這是人類夢寐以求的，激勵著人們探月的熱情。氦3來自太陽風，由於地球有地磁場及濃密的大氣，太陽風被磁場俘獲或由大氣散射而逃逸，不能到達地球表面。月球表面沒有大氣層，沒有磁場，太陽風能直接注入月礫。月礫吸收飽和後，太陽風中的粒子就回到月球大氣中了。這些太陽風粒子和月球自身的放射性物質，構成了月球的殘餘大氣。根據月球殘餘大氣的壓強，我們計算出月礫中氦3的儲量為90萬～350萬噸，大致符合美國人的估值。根據我們的理論，月球上氦3的儲量是永遠不會枯竭的，太陽可以不斷地補充。目前人類尚不完全具備收集、儲存月球上的氦3並將其運回地球的能力。

更遠的真空

隨著科學技術的進步，人造航天器能夠飛向深遠宇宙，到達沒有實物粒子的物理真空世界。根據宇宙真空學理論，距離地球表面100萬千米處平均每5立方米容積內約有1個氣體分子，接近物理真空狀態。人們對物理真空的認識在不斷深化，從充滿機械媒質的以太到由費米子填滿負能海的真空和玻色子零點場的真空，從具有磁導率和介電常數等電磁性質的真空到李政道提出的具有反色性和抗色性的抗色真空，以及具有對稱性自發破損的黑格斯（Higgs）真空，描述了人類認識真空的軌跡。從巨觀真空（宇宙真空）到宏觀真空（工程真空），再到微觀真空（粒子、原子、分子、晶體中的真空），真空存在於不同區域，但在同一個宇宙中，真空應該是均勻的、連續的、不能分割的，且物理本質是相同的。愛因斯坦把引力的真空能併入引力方程的宇宙項中，研究宇宙真空具有的引力性質。

目前，我們對真空的認識除了對物理真空已取得的認識外還存在以下未解之謎：真空和暗能量的關係，慣性力的起源問題以及如何在不同的參考系中理解真空的性質，這些都有待我們解決。

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