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外太空通常比任何人工真空都要空曠得多。

人類更大的真空室：鉛球與羽毛同落 (4X10的負(fù)6次方)

真空，按字面意思，可以理解為沒有物質(zhì)的空間。但是，這樣的『真的空無一物的空間』在地球上基本上是不可能實(shí)現(xiàn)的（我們先不去講愛因斯坦狄拉克之海等關(guān)于真空不空的理論）。通常情況下，物理學(xué)家會(huì)把那些氣壓比大氣壓力小得多的空間就稱為真空。

那人工制造的真空爐膛中“完美真空”（有時(shí)會(huì)被稱為分壓真空）和太空中的真空有什么區(qū)別呢？

說太空之前，我們先來看看人類能制造出來的真空奇跡吧。

上面這個(gè)巨大的房間，就是位于俄亥俄州NASA格倫研究中天然氣工業(yè)電機(jī)心的人類目前更大的真空室SPF（Space Power Facility)。它外總高約37米（相當(dāng)于12到13層樓那么高），直徑30米，光是雙重密封的大門就有15米寬和15米高。可吞吐重達(dá)300噸的設(shè)備。建于1969年美蘇冷戰(zhàn)中期。是美國一座能對組裝完畢的飛船進(jìn)行全面環(huán)境試驗(yàn)的設(shè)施。

要知道，在阿波羅登月計(jì)劃剛啟動(dòng)的那個(gè)年代里，美國的對飛船完整測試實(shí)驗(yàn)基本上就是直接射到太空里飛幾圈看看。沒人能真的確定宇宙飛船和宇航員在冰冷的太空中會(huì)發(fā)生什么。而SPF最初的任務(wù)就是用來在地球上重建太空的真空環(huán)境，以測試各種太空飛行器，包括核動(dòng)力（雖然該設(shè)施是為測試核天然氣工業(yè)電機(jī)硬件而設(shè)計(jì)的，但在其整個(gè)歷史中只進(jìn)行過非核試驗(yàn)）和常規(guī)動(dòng)力航天器的熱真空準(zhǔn)備能力和抗電磁干擾能力，還有一些高能實(shí)驗(yàn)、火箭整流罩分離、可展開太陽帆和太陽能板陣列測試等，美國絕大多數(shù)主要火箭型號(hào)的試驗(yàn)都曾在這里進(jìn)行。它可以有效降低飛船和宇航員的危險(xiǎn)，并減小不必要的發(fā)射，從而降預(yù)算。

從冷戰(zhàn)開始，SPF真空室一直被用到現(xiàn)在。它前不久剛被翻新過，以用來測試NASA的新一代飛船推進(jìn)系統(tǒng)（比如為新“獵戶座”飛船提供動(dòng)力的推進(jìn)系統(tǒng)），以及兩輛火星車的安全氣囊著陸系統(tǒng)。2013年的時(shí)候SpaceX還用SPF做了全尺寸火箭整流罩分離測試。

你可以把SPF想成一個(gè)由極厚的混凝土外天然氣工業(yè)電機(jī)殼包裹著的一個(gè)巨大的鋁桶。整個(gè)測試室內(nèi)壁是由5083鋁板建造的（5083鋁就是神舟飛船和衛(wèi)星用的材料，可屏蔽一部分核輻射），可以在零下200度的溫度下維持一個(gè)低的中子吸收截面，從而用8小時(shí)時(shí)間通過鼓風(fēng)機(jī)和轉(zhuǎn)子活塞真空泵達(dá)到 4×10?64\times10^{-6} 托爾（1托=1毫米汞柱）的真空。大概是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的一億分之一。

但它并不是地球上最接近真空的地方。

SESL的A室：測試宇航服的地方 (1X10的負(fù)6次方)

位于休斯頓NASA約翰遜航天中心空間環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室(SESL)的“A室”，是目前地球上真空度更高的大型低溫實(shí)驗(yàn)爐膛。它建成于1965年，是N天然氣工業(yè)電機(jī)ASA為測試阿波羅航天器的熱真空測試而建造的。它的重達(dá)40噸的門是世界上更大的單鉸鏈門。當(dāng)年阿波羅計(jì)劃的太空服、美國座空間站太空實(shí)驗(yàn)室的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、航天飛機(jī)以及眾多衛(wèi)星都是在這里測試的。雖然阿波羅號(hào)和航天飛機(jī)時(shí)代已經(jīng)過去，SESL仍在運(yùn)行，NASA在2014年又將它進(jìn)行了一次升級(jí)，以便能測試詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（的鴿王JWST）的部件。（有A室就有B室，B室主要用于進(jìn)行宇航員訓(xùn)練，研究航天器的生命維持系統(tǒng))

SESL通過強(qiáng)大的真空泵將11340公斤的氣體分子（相當(dāng)于12.5輛大眾甲殼蟲汽車[1]）從氣室中除去，以達(dá)到所需的真空狀態(tài)，只剩下相當(dāng)于半根訂書釘重量的15毫克空氣，等同天然氣工業(yè)電機(jī)于150萬公里JWST望遠(yuǎn)鏡軌道處的真空度（即拉格朗日L2點(diǎn)所在）： 達(dá)到 1×10?61\times10^{-6} 托爾.

中國制造：10的負(fù)10次方

通常來說，真空室容積越大越難造。那有沒有容積小一點(diǎn)的，但真空度更高的爐膛呢？

當(dāng)然！比如中國在2009年就由北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所在北京航天城某衛(wèi)星AIT中心研制成功了“KM7大型空間環(huán)境模擬器”。研制成功當(dāng)年，就進(jìn)行了某型號(hào)衛(wèi)星的真空熱試驗(yàn)。它的有效試驗(yàn)空間只是一個(gè)直徑8.5米，深9米的臥倒的圓柱，和上面兩個(gè)龐然大物比起來小的可憐。但它的極限壓力低于6.5×10-5Pa[2]，差不多是5×10?75\times10^{-7}托爾的真空。中科院蘇州納米天然氣工業(yè)電機(jī)真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站的GEN20A更是能能達(dá)到負(fù)10托爾

如果爐膛再小一點(diǎn)，真空還可以做得更高。

上圖是一個(gè)用于衛(wèi)星通信和空間模擬的熱真空超高真空爐，更高能達(dá)到是7.5×10?137.5\times10^{-13} 托爾的真空。[3]目前地球上人工獲得的最完美的真空是10?1410^{-14} 托爾。這一紀(jì)錄是1976年10月由奧森研究中心的湯姆遜創(chuàng)造的。

10的負(fù)14次方的真空有多空？打個(gè)比方。假設(shè)氣體分子有一個(gè)棒球那么大，那么標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下氣體分子棒球間的間距按比例來就是差不多一米的距離。當(dāng)真空度達(dá)10的負(fù)14次天然氣工業(yè)電機(jī)方時(shí)，分子棒球的間距將達(dá)到80公里。（有時(shí)可以在極短的時(shí)間內(nèi)在極有限的空間內(nèi)達(dá)到完全沒有粒子的理想狀態(tài)：“完美真空”。這幾乎是不可能在實(shí)驗(yàn)室里受控實(shí)現(xiàn)的，只是在在短時(shí)間內(nèi)某處碰巧沒有物質(zhì)粒子。）

人類的極限

目前人類能制造的最極限的真空度是多少？有人會(huì)問，咦，上面不是已經(jīng)說過了么，10的負(fù)14次方？不不不，人類之所以為人類，就是會(huì)Think out of the box.

人類有史以來獲得的人工真空的極限，是NASA用航天飛機(jī)在地球軌道上實(shí)現(xiàn)的。（這不是作弊么。。。。）

NASA研發(fā)了一種被稱為Wake Shield Facility（WSF）的裝置。顧名思義，天然氣工業(yè)電機(jī)它的形狀像一個(gè)盾一樣，是一個(gè)直徑3.7米的不銹鋼圓盤。航天飛機(jī)三次（STS-60失敗，STS-69和STS-80成功）用機(jī)械臂拖曳著它，像拖著一個(gè)風(fēng)箏一樣，在300公里以上的軌道上飛行。WSF圓盤的邊緣一邊飛一邊推開已經(jīng)極稀薄的氣體粒子，從而在其后方的尾部留下了一個(gè)很小的“超真空”空間?？茖W(xué)家用這個(gè)真空來研究超薄超純的半導(dǎo)體薄膜生長等實(shí)驗(yàn)（主要是砷化鎵和砷化鋁鎵沉積），有助于開發(fā)更好的光電管和薄膜。同時(shí)也嘗試用微型陶瓷制做人工視網(wǎng)膜。

那這個(gè)真空度有多少呢？300公里的軌道高度上的原始環(huán)境真空度大約是～10?8～10?1410^{-8}～10^{-14}托爾，而科學(xué)家預(yù)計(jì)WSF能再下降個(gè)約6個(gè)數(shù)天然氣工業(yè)電機(jī)量級(jí)。但實(shí)際對兩次飛行收集的氣壓數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論，下降幅度約為2個(gè)數(shù)量級(jí)（比預(yù)期少4個(gè)數(shù)量級(jí)），即～10?10～10?1610^{-10}～10^{-16}托爾。[4]

太空的真空度

WFS創(chuàng)造的真空，已經(jīng)比月球表面的真空度（1×10?91\times10^{-9} 托爾）要厲害出太多了。WFS創(chuàng)造的人造真空有多空？如果用粒子間距來描述它的空曠的話，每個(gè)粒子間的平均距離有大約1mm那么遠(yuǎn)。

但對于宇宙空間來說，這并不算啥。相比之下，恒星際空間的粒子平均相距約10mm，銀河系懸臂間隙中的粒子間距約為100mm，而星系間的空間中粒子間距更大可達(dá)10,000mm（也就是十米）。一般我們認(rèn)為，深空中的真空度大天然氣工業(yè)電機(jī)約為～10?17～10?2010^{-17}～10^{-20} 托爾[5]，可以說是最接近“完美真空”的地方了。

可見，人類創(chuàng)造的真空度完全不能和深空相提并論，那可是差了約4個(gè)數(shù)量級(jí)。也就是說，太空最空的地方的真空度，大約是人工真空的一萬之一。