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自由空間

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經典物理裏,自由空間free space)是電磁理論的一種概念,指的是一種理論的完美真空,不含有任何物質的真空。有時候,自由空間又稱為自由空間真空,或經典真空。自由空間可以恰當地被視為一種參考介質[1][2]

許多國際單位制的單位,像安培(1948年至2018年的定義)或公尺,其定義都是建立於以自由空間為參考介質的測量值。由於實驗室所使用的參考介質並不是自由空間,實驗室得到的測量值必須經過修正,才能成為以自由空間為參考介質的測量值[3]

自由空間的性質[编辑]

自由空間是將大自然抽象化而得到的一種基線或參考狀態。實際而言,就像絕對零度,這種狀態是永遠無法達到的。自由空間有三個特定的參數電常數 磁常數 真空光速 。利用馬克士威方程組,可以推導出這三個參數的關係式[1]

國際單位制裏, 都已設定了精確的定義值,沒有任何誤差[4]

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

根據這些定義值, 的定義值也是精確值[4]

[F/m] ([法拉/公尺])。

表徵電磁相互作用的強度的精細結構常數 ,其表達式內也有電常數 出現:

其中,單位電荷約化普朗克常數

處於自由空間的參考狀態,根據馬克士威方程組的導引,每一種電磁波譜頻率電磁波,像無線電波可見光波,都是以光速 傳播。這些電磁波的電場和磁場之間的關係涉及了真空特性阻抗characteristic impedance of vacuum[4]

[Ω] ([歐姆])。

在自由空間裏,線性疊加原理對於電勢向量勢電場磁場,都仍舊成立。例如,兩個電荷所共同產生的電勢,即乃其中個別電荷所產生的電勢的純量和[5]

真空的本質[编辑]

物理學家時常會用術語「真空」來指稱幾種不同的狀態。其中一種狀態是完美真空。有時候,物理學家會討論在完美真空裏所得到的理想實驗結果。這不是真正實驗可以得到的結果,而是想像出來會得到的理想結果。採用這種用法時,物理學家簡明扼要地稱呼完美真空為經典真空[6]或自由空間。實際而言,完美真空是不可能實現的!術語「部分真空」指的是真正能夠實現的不完美真空。在可實現真空與自由空間兩者之間,這提示了一個重要的分歧點,那就是,非零值壓強

但是,在現代物理學裏,真空只是一種簡單、空無一物的空間[7]這經典概念,已被量子真空quantum vacuum)的概念所取代。這動作將自由空間與實際真空(量子真空)分離的更遠:真空態vacuum state)並不是空蕩蕩的一無所有!量子真空可以簡略地定義為[8]

量子真空所描述的區域,是一種處於最低能級態,而且沒有任何真實粒子的區域。
—— 

量子真空"決不是一種簡單的空無一物的空間"[9]。再重複一遍,"將任何物理真空視為絕對空無一物的空間是個特大的錯誤"[10]。根據量子力學,真空並不是真正的空無所有,而是含有瞬時的電磁波虛粒子突然地出現或消失。從這些短暫的事件,可以觀察到卡西米爾效應[11]自發射spontaneous emission[12]蘭姆位移[13]等等重要的物理現象。對這些問題有濃厚興趣,欲想進一步探索量子真空的各種物理行為的讀者,可以閱讀 S. Saunders 的書《The philosophy of vacuum[14]Henning Genz 新近發表的書《Nothingness: the science of empty space[15]

量子真空到底是甚麼?很遺憾地,這最基本的問題,到今天仍舊尚未成定論。物理學家 Gerald E. Brown 這樣說[16]

在十八世紀,牛頓力學無法解析三體問題。在大約誕生於 1910 年的廣義相對論和 1930 年的量子電動力學之後,二體問题和一體問題都變得無法解析。現代的量子場理論又發現零體問題(真空)無解。
—— Gerald E. Brown
Collective Motion and the Application of Many-Body Techniques

例如,一個粒子的存在與否,與觀察者的重力態有密切關係[17]。這是盎魯效應的一個重要物理行為。關於量子真空在膨脹宇宙中所扮演的角色,物理學家提出很多推測,請參閱條目真空 (宇宙學)Cosmological constant problem)。還有,量子真空會顯示出自發對稱性破缺[18]

未解決的物理學問題為何真空的零點能量不會造成一個大的宇宙常數?是什麼將它抵銷,而使得宇宙常數接近於零? Question mark2.svg

實驗室實現的自由空間[编辑]

在這裡,「實現」指的是將「自由空間」這概念約化為實習reduction to practice),或實驗具體化,例如,成為實驗室裡製備的「部份真空」。甚麼是自由空間的操作定義?雖然,從理論而言,與絕對零度所面對的狀況類似,自由空間是無法達成的,很多國際單位制的單位都是參考自由空間的性質設定的。因此,實驗者必須估計對於實際測量值所需要的修正。例如,對於部分真空的非零壓強所做的修正。對於在實驗室取得關於自由空間的測量值(例如,部分真空),國際度量衡委員會特別告誡:[3]

為了要考慮到真實狀況,像繞射、重力或真空的不完美,所有實驗得到的測量值都必須給予精確的修正。
—— 

實際而言,最新的技術可以在實驗室裡製備出相當好的真空,稱為超高真空ultra high vacuum)。到現在為止,對於實驗室裡製備出的真空,可測量到的最低壓強大約為 10−11 [Pa] [帕斯卡][19]

外太空實現的自由空間[编辑]

虛無縹緲的外太空含有非常稀少的物質。儘管只是部分真空,外太空的壓強大約為 10 [pPa] (1×10−11 [帕斯卡])[20]。稍加比較,地球海平面的壓強大約為 101 [kPa] (1×105 [帕斯卡])。當然,星際太空的物質分布並不均勻。銀河系的氫原子密度大約為 1 [原子/公分3[21]。宇宙終究會連續膨脹,還是會縮塌?決定這最後命運的臨界密度估計為 3 [原子/千公升][22]。在外太空的部分真空裏,有稀少的物質(大多是氫原子)、宇宙塵宇宙線雜訊cosmic noise)。除此以外,還有溫度為 2.725 K 的宇宙微波背景輻射,意味著光子密度為 400 [光子/公分3[23]

因為行星際物質星際物質的密度超小,在許多應用領域裏,可以將行星際區域和星際區域視為自由空間。這動作所帶入的誤差微乎其微。

參考文獻[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 Werner S. Weiglhofer and Akhlesh Lakhtakia. § 4.1 The classical vacuum as reference medium. Introduction to complex mediums for optics and electromagnetics. SPIE Press. 2003: pp. 28, 34 ff. ISBN 9780819449474. 
  2. ^ Tom G. MacKay. Electromagnetic Fields in Linear Bianisotropic Mediums. (编) Emil Wolf. Progress in Optics, Volume 51. Elsevier. 2008: 143. ISBN 9780444520388. 
  3. ^ 3.0 3.1 CIPM adopted Recommendation 1 (CI-1983) Appendix 1, p. 77
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 請參閱美國國家標準和科技學院設定的標準值:[1][2][3][4]
  5. ^ Chattopadhyay, D. and Rakshit, P.C. Elements of Physics: vol. 1. New Age International. 2004: 577. ISBN 8122415385. 
  6. ^ Sunny Y. Auyang. How is quantum field theory possible?. Oxford University Press. 1995: pp. 151–152. ISBN 0195093445. 
  7. ^ 自由空間的經典概念有很多大同小異的版分。舉三個例子:R. K. Pathria. The Theory of Relativity Reprint of Pergamon Press 1974 2nd. Courier Dover Publications. 2003: pp. 119. ISBN 0486428192. 自由空間是沒有任何導體、電介質或磁性物質的空間。 ; Christopher G. Morris (编). Academic Press dictionary of science and technology. Gulf Professional Publishing. 1992: pp. 880. ISBN 0122004000. 自由空間是一種理論概念,專門描述除去所有物質的空間 ; and Werner Vogel, Dirk-Gunnar Welsch. Quantum optics 3rd. Wiley-VCH. 2006: pp. 337. ISBN 3527405070. 經典的電磁真空只是一種物理態。處於這種物理態,所有的電場和磁場都消失無蹤。  author-name-list parameters只需其一 (帮助)
  8. ^ Gordon Kane. Supersymmetry: squarks, photinos, and the unveiling of the ultimate laws. Cambridge, MA: Perseus Publishers. 2000: Appendix A; pp. 149 ff. ISBN 0738204897. 
  9. ^ Astrid Lambrecht (Hartmut Figger, Dieter Meschede, Claus Zimmermann Eds.). Observing mechanical dissipation in the quantum vacuum: an experimental challenge; in Laser physics at the limits. Berlin/New York: Springer. 2002: pp. 197. ISBN 3540424180. 
  10. ^ Christopher Ray. Time, space and philosophy. London/New York: Routledge. 1991: Chapter 10, pp. 205ff. ISBN 0415032210. 
  11. ^ Physical Review Focus Dec. 1998
  12. ^ Benjamin Fain. Irreversibilities in quantum mechanics: Fundamental theories of physics v. 113. New York:London: Springer/Kluwer Academic. 2000: §4.4 pp. 113ff. ISBN 079236581X. 
  13. ^ Marian O Scully & Zubairy MS. Quantum Optics. New York: Cambridge University Press. 1997: pp. 13–16. ISBN 0521435951. 
  14. ^ S Saunders & HR Brown Eds.). The philosophy of vacuum. Oxford UK: Oxford University Press. 1991. ISBN 0198244495. 
  15. ^ Henning Genz. Nothingness: the science of empty space. Reading MA: Oxford: Perseus. 2002. ISBN 0738206105. 
  16. ^ R. D. Mattuck. A Guide to Feynman Diagrams in the Many-Body Problem reprint of McGraw-Hill 1976. Courier Dover Publications. 1992: pp. 1. ISBN 0486670473. 
  17. ^ Tian Yu Cao. Conceptual foundations of quantum field theory. Cambridge UK: Cambridge University Press. 1999: pp. 179. 
  18. ^ Peter Woit. Not even wrong: the failure of string theory and the search for unity in physical law. New York: Basic Books. 2006: pp. 71ff. ISBN 0465092756. 
  19. ^ LM Rozanov & Hablanian, MH. Vacuum technique. London; New York: Taylor & Francis. 2002. Figure 3.1, pp. 80. ISBN 041527351X. 
  20. ^ Zheng, MiMi. Pressure in Outer Space. The Physics Factbook. 2002. 
  21. ^ Gareth Wynn-Williams. The fullness of space. Cambridge UK: Cambridge University Press. 1992: pp. 38. ISBN 0521426383. 
  22. ^ Steven Weinberg. The First Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe 2. Basic Books. 1993: pp. 34. ISBN 0465024378. 
  23. ^ Martin J. Rees, Origin of pregalactic microwave background, Nature, 1978, 275: pp. 35–37, doi:10.1038/275035a0 

參閱[编辑]

外部連結[编辑]

  • 美國國家標準和科技學院網頁:基本物理常數
  • 關於自由空間的一篇精采的討論:[5]