太空真空和人工真空有什么区别吗？ 第1页

外太空通常比任何人工真空都要空旷得多。

人类最大的真空室：铅球与羽毛同落 (4X10的负6次方)

真空，按字面意思，可以理解为没有物质的空间。但是，这样的『真的空无一物的空间』在地球上基本上是不可能实现的（我们先不去讲爱因斯坦狄拉克之海等关于真空不空的理论）。通常情况下，物理学家会把那些气压比大气压力小得多的空间就称为真空。

那人工制造的真空炉膛中“完美真空”（有时会被称为分压真空）和太空中的真空有什么区别呢？

说太空之前，我们先来看看人类能制造出来的真空奇迹吧。

上面这个巨大的房间，就是位于俄亥俄州NASA格伦研究中心的人类目前最大的真空室SPF（Space Power Facility)。它外总高约37米（相当于12到13层楼那么高），直径30米，光是双重密封的大门就有15米宽和15米高。可吞吐重达300吨的设备。建于1969年美苏冷战中期。是美国唯一一座能对组装完毕的飞船进行全面环境试验的设施。

要知道，在阿波罗登月计划刚启动的那个年代里，美国的对飞船完整测试实验基本上就是直接射到太空里飞几圈看看。没人能真的确定宇宙飞船和宇航员在冰冷的太空中会发生什么。而SPF最初的任务就是用来在地球上重建太空的真空环境，以测试各种太空飞行器，包括核动力（虽然该设施是为测试核硬件而设计的，但在其整个历史中只进行过非核试验）和常规动力航天器的热真空准备能力和抗电磁干扰能力，还有一些高能实验、火箭整流罩分离、可展开太阳帆和太阳能板阵列测试等，美国绝大多数主要火箭型号的试验都曾在这里进行。它可以有效降低飞船和宇航员的危险，并减小不必要的发射，从而降预算。

从冷战开始，SPF真空室一直被用到现在。它前不久刚被翻新过，以用来测试NASA的新一代飞船推进系统（比如为新“猎户座”飞船提供动力的推进系统），以及两辆火星车的安全气囊着陆系统。2013年的时候SpaceX还用SPF做了全尺寸火箭整流罩分离测试。

你可以把SPF想成一个由极厚的混凝土外壳包裹着的一个巨大的铝桶。整个测试室内壁是由5083铝板建造的（5083铝就是神舟飞船和卫星用的材料，可屏蔽一部分核辐射），可以在零下200度的温度下维持一个低的中子吸收截面，从而用8小时时间通过鼓风机和转子活塞真空泵达到 托尔（1托=1毫米汞柱）的真空。大概是标准大气压的一亿分之一。

但它并不是地球上最接近真空的地方。

SESL的A室：测试宇航服的地方 (1X10的负6次方)

位于休斯顿NASA约翰逊航天中心空间环境模拟实验室(SESL)的“A室”，是目前地球上真空度最高的大型低温实验炉膛。它建成于1965年，是NASA为测试阿波罗航天器的热真空测试而建造的。它的重达40吨的门是世界上最大的单铰链门。当年阿波罗计划的太空服、美国第一座空间站太空实验室的望远镜系统、航天飞机以及众多卫星都是在这里测试的。虽然阿波罗号和航天飞机时代已经过去，SESL仍在运行，NASA在2014年又将它进行了一次升级，以便能测试詹姆斯·韦伯太空望远镜（著名的鸽王JWST）的部件。（有A室就有B室，B室主要用于进行宇航员训练，研究航天器的生命维持系统)

SESL通过强大的真空泵将11340公斤的气体分子（相当于12.5辆大众甲壳虫汽车^[1]）从气室中除去，以达到所需的真空状态，只剩下相当于半根订书钉重量的15毫克空气，等同于150万公里JWST望远镜轨道处的真空度（即拉格朗日L2点所在）： 达到 托尔.

中国制造：10的负10次方

通常来说，真空室容积越大越难造。那有没有容积小一点的，但真空度更高的炉膛呢？

当然！比如中国在2009年就由北京卫星环境工程研究所在北京航天城某卫星AIT中心研制成功了“KM7大型空间环境模拟器”。研制成功当年，就进行了某型号卫星的真空热试验。它的有效试验空间只是一个直径8.5米，深9米的卧倒的圆柱，和上面两个庞然大物比起来小的可怜。但它的极限压力低于6.5×10-5Pa^[2]，差不多是 托尔的真空。中科院苏州纳米真空互联实验站的GEN20A更是能能达到负10托尔

如果炉膛再小一点，真空还可以做得更高。

上图是一个用于卫星通信和空间模拟的热真空超高真空炉，最高能达到是 托尔的真空。^[3]目前地球上人工获得的最完美的真空是 托尔。这一纪录是1976年10月由奥森研究中心的汤姆逊创造的。

10的负14次方的真空有多空？打个比方。假设气体分子有一个棒球那么大，那么标准大气压下气体分子棒球间的间距按比例来就是差不多一米的距离。当真空度达10的负14次方时，分子棒球的间距将达到80公里。（有时可以在极短的时间内在极有限的空间内达到完全没有粒子的理想状态：“完美真空”。这几乎是不可能在实验室里受控实现的，只是在在短时间内某处碰巧没有物质粒子。）

人类的极限

目前人类能制造的最极限的真空度是多少？有人会问，咦，上面不是已经说过了么，10的负14次方？不不不，人类之所以为人类，就是会Think out of the box.

人类有史以来获得的人工真空的极限，是NASA用航天飞机在地球轨道上实现的。（这不是作弊么。。。。）

NASA研发了一种被称为Wake Shield Facility（WSF）的装置。顾名思义，它的形状像一个盾一样，是一个直径3.7米的不锈钢圆盘。航天飞机三次（STS-60失败，STS-69和STS-80成功）用机械臂拖曳着它，像拖着一个风筝一样，在300公里以上的轨道上飞行。WSF圆盘的边缘一边飞一边推开已经极稀薄的气体粒子，从而在其后方的尾部留下了一个很小的“超真空”空间。科学家用这个真空来研究超薄超纯的半导体薄膜生长等实验（主要是砷化镓和砷化铝镓沉积），有助于开发更好的光电管和薄膜。同时也尝试用微型陶瓷制做人工视网膜。

那这个真空度有多少呢？300公里的轨道高度上的原始环境真空度大约是 托尔，而科学家预计WSF能再下降个约6个数量级。但实际对两次飞行收集的气压数据分析得出结论，下降幅度约为2个数量级（比预期少4个数量级），即托尔。^[4]

太空的真空度

WFS创造的真空，已经比月球表面的真空度（ 托尔）要厉害出太多了。WFS创造的人造真空有多空？如果用粒子间距来描述它的空旷的话，每个粒子间的平均距离有大约1mm那么远。

但对于宇宙空间来说，这并不算啥。相比之下，恒星际空间的粒子平均相距约10mm，银河系悬臂间隙中的粒子间距约为100mm，而星系间的空间中粒子间距最大可达10,000mm（也就是十米）。一般我们认为，深空中的真空度大约为 托尔^[5]，可以说是最接近“完美真空”的地方了。

可见，人类创造的真空度完全不能和深空相提并论，那可是差了约4个数量级。也就是说，太空最空的地方的真空度，大约是人工真空的一万之一。

一更

很多人对那个BBC的实验感兴趣。我就把视频贴出来吧，来源见水印。

备注：此实验由共济会成员伽利略提出，视频由共济会资助的NASA实施。(逃

参考

1. ^ http://people.rit.edu/vwlsps/LabTech/Gauges.pdf
2. ^ http://www.vizgep.bme.hu/letoltesek/targyak/BMEGEVGAG02-ENG/Measuring%20devices.pdf
3. ^ Bemco Inc (www.bemcoinc.com)
4. ^ https://infogalactic.com/info/Wake_Shield_Facility
5. ^ http://solarmfg.com/wp-content/uploads/2016/02/Understanding-Vacuum-9.pdf