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自由空间

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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[1][2]

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[3]

自由空间的性质[编辑]

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[1]

国际单位制里, 都已设定了精确的定义值,没有任何误差[4]

[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[4]

[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[4]

[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[5]

真空的本质[编辑]

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[6]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[7]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[8]

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"[9]。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"[10]。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[11]自发射spontaneous emission[12]兰姆位移[13]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[14]Henning Genz 新近发表的书《Nothingness: the science of empty space[15]

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[16]

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[17]。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[18]

未解决的物理学问题为何真空的零点能量不会造成一个大的宇宙常数?是什么将它抵销,而使得宇宙常数接近于零? Question mark2.svg

实验室实现的自由空间[编辑]

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:[3]

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][19]

外太空实现的自由空间[编辑]

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])[20]。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[21]。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][22]。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[23]

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。

参考文献[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 请参阅美国国家标准和科技学院设定的标准值:[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. ^ 自由空间的经典概念有很多大同小异的版分。举三个例子:R. K. Pathria. The Theory of Relativity Reprint of Pergamon Press 1974 2nd. Courier Dover Publications. 2003: pp. 119. ISBN 0486428192. 自由空间是没有任何导体、电介质或磁性物质的空间。 ; Christopher G. Morris (编). Academic Press dictionary of science and technology. Gulf Professional Publishing. 1992: pp. 880. ISBN 0122004000. 自由空间是一种理论概念,专门描述除去所有物质的空间 ; and Werner Vogel, Dirk-Gunnar Welsch. Quantum optics 3rd. Wiley-VCH. 2006: pp. 337. ISBN 3527405070. 经典的电磁真空只是一种物理态。处于这种物理态,所有的电场和磁场都消失无踪。  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 

参阅[编辑]

外部链接[编辑]

  • 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]