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自由空间

经典物理里,自由空间free space)是电磁理论的一种概念,指的是一种理论的完美真空,不含有任何物质的真空。有时候,自由空间又称为自由空间真空,或经典真空。自由空间可以恰当地被视为一种参考介质

许多国际单位制的单位,像安培(1948年至2018年的定义)或,其定义都是建立于以自由空间为参考介质的测量值。由于实验室所使用的参考介质并不是自由空间,实验室得到的测量值必须经过修正,才能成为以自由空间为参考介质的测量值。

自由空间的性质

自由空间是将大自然抽象化而得到的一种基线或参考状态。实际而言,就像绝对零度,这种状态是永远无法达到的。自由空间有三个特定的参数电常数 磁常数 真空光速 。利用麦克斯韦方程组,可以推导出这三个参数的关系式:

国际单位制里, 都已设定了精确的定义值,没有任何误差

[H/m] ([亨利/米])或 [N/A2] ([牛顿/安培2])、
[m/sec] ([米/秒])。

根据这些定义值, 的定义值也是精确值:

[F/m] ([法拉/米])。

表征电磁相互作用的强度的精细结构常数 ,其表达式内也有电常数 出现:

其中,单位电荷约化普朗克常数

处于自由空间的参考状态,根据麦克斯韦方程组的导引,每一种电磁波谱频率电磁波,像无线电波可见光波,都是以光速 传播。这些电磁波的电场和磁场之间的关系涉及了真空特性阻抗characteristic impedance of vacuum

[Ω] ([欧姆])。

在自由空间里,线性叠加原理对于电势矢势电场磁场,都仍旧成立。例如,两个电荷所共同产生的电势,即乃其中个别电荷所产生的电势的标量和。

真空的本质

物理学家时常会用术语“真空”来指称几种不同的状态。其中一种状态是完美真空。有时候,物理学家会讨论在完美真空里所得到的理想实验结果。这不是真正实验可以得到的结果,而是想像出来会得到的理想结果。采用这种用法时,物理学家简明扼要地称呼完美真空为经典真空或自由空间。实际而言,完美真空是不可能实现的!术语“部分真空”指的是真正能够实现的不完美真空。在可实现真空与自由空间两者之间,这提示了一个重要的分歧点,那就是,非零值压强

但是,在现代物理学里,真空只是一种简单、空无一物的空间这经典概念,已被量子真空(quantum vacuum)的概念所取代。这动作将自由空间与实际真空(量子真空)分离的更远:真空态vacuum state)并不是空荡荡的一无所有!量子真空可以简略地定义为:

量子真空所描述的区域,是一种处于最低能级态,而且没有任何真实粒子的区域。

量子真空"决不是一种简单的空无一物的空间"。再重复一遍,"将任何物理真空视为绝对空无一物的空间是个特大的错误"。根据量子力学,真空并不是真正的空无所有,而是含有瞬时的电磁波虚粒子突然地出现或消失。从这些短暂的事件,可以观察到卡西米尔效应、自发射(spontaneous emission)、兰姆位移等等重要的物理现象。对这些问题有浓厚兴趣,欲想进一步探索量子真空的各种物理行为的读者,可以阅读 S. Saunders 的书《The philosophy of vacuum》或 Henning Genz 新近发表的书《Nothingness: the science of empty space》。

量子真空到底是什么?很遗憾地,这最基本的问题,到今天仍旧尚未成定论。物理学家 Gerald E. Brown 这样说:

在十八世纪,牛顿力学无法解析三体问题。在大约诞生于 1910 年的广义相对论和 1930 年的量子电动力学之后,二体问题和一体问题都变得无法解析。现代的量子场理论又发现零体问题(真空)无解。 — Gerald E. Brown,Collective Motion and the Application of Many-Body Techniques

例如,一个粒子的存在与否,与观察者的重力态有密切关系。这是盎鲁效应的一个重要物理行为。关于量子真空在膨胀宇宙中所扮演的角色,物理学家提出很多推测,请参阅条目真空 (宇宙学)(Cosmological constant problem)。还有,量子真空会显示出自发对称性破缺

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实验室实现的自由空间

在这里,“实现”指的是将“自由空间”这概念约化为实习(reduction to practice),或实验具体化,例如,成为实验室里制备的“部分真空”。什么是自由空间的操作定义?虽然,从理论而言,与绝对零度所面对的状况类似,自由空间是无法达成的,很多国际单位制的单位都是参考自由空间的性质设定的。因此,实验者必须估计对于实际测量值所需要的修正。例如,对于部分真空的非零压强所做的修正。对于在实验室取得关于自由空间的测量值(例如,部分真空),国际度量衡委员会特别告诫:

为了要考虑到真实状况,像衍射、重力或真空的不完美,所有实验得到的测量值都必须给予精确的修正。

实际而言,最新的技术可以在实验室里制备出相当好的真空,称为超高真空(ultra high vacuum)。到现在为止,对于实验室里制备出的真空,可测量到的最低压强大约为 10−11 [Pa] [帕斯卡] 。

外太空实现的自由空间

虚无缥缈的外太空含有非常稀少的物质。尽管只是部分真空,外太空的压强大约为 10 [pPa] (1×10−11 [帕斯卡])。稍加比较,地球海平面的压强大约为 101 [kPa] (1×105 [帕斯卡])。当然,星际太空的物质分布并不均匀。银河系的氢原子密度大约为 1 [原子/公分3]。宇宙终究会连续膨胀,还是会缩塌?决定这最后命运的临界密度估计为 3 [原子/千升]。在外太空的部分真空里,有稀少的物质(大多是氢原子)、宇宙尘和宇宙线噪声(cosmic noise)。除此以外,还有温度为 2.725 K 的宇宙微波背景辐射,意味着光子密度为 400 [光子/公分3]。

因为行星际物质星际物质的密度超小,在许多应用领域里,可以将行星际区域和星际区域视为自由空间。这动作所带入的误差微乎其微。

参阅

外部链接

  • 美国国家标准和科技学院网页:基本物理常数
  • 关于自由空间的一篇精采的讨论:[5]



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