Вакуум - понятие, широко используемое в физике и технике. Это слово происходит от латинского vacuus, что в переводе означает "пустой". Этот смысл у слова "вакуум" сохраняется, в общем смысле вакуум означает пространство, свободное от веществ. В физике и технической науке вакуумом считается среда, в которой содержится газ при давлении ниже атмосферного. Рассмотрим подробнее, что такое вакуум в физике, технический вакуум и вакуум в космосе.
Вакуум в квантовой физике
Физическим вакуумом является низшее энергетическое состояние квантового поля, которое обладает моментом импульса, нулевым импульсом, а также иными квантовыми показателями. Вакуум в физике не всегда равносилен пустоте. Так, он может быть полем квазичастиц в плотном ядре атома или в твердом теле.
Кроме того, физический вакуум - это пространство, абсолютно лишенное вещества, но заполненное полем, однако и это нельзя считать полноценным вакуумом. Причина в том, что в физическом вакууме все время появляются и исчезают частицы, происходят незначительные колебания в поле.
Технический вакуум
Техническим вакуумом на практике является сильно разреженный газ. Его можно получить в небольшом количестве. Добиться идеального технического вакуума в большом объеме на практике невозможно, потому что при итоговой температуре материалы будут обладать ненулевой плотностью насыщенных паров. Также многие материалы, которые используются на практике, пропускают газы.
Вакуум в космосе
Само космическое пространство обладает низкой плотностью и давлением, поэтому является наиболее приближенным к физическому вакууму. Но даже космический вакуум нельзя считать идеальной вакуумной средой, так как в космическом пространстве можно обнаружить атомы водорода на кубический сантиметр.
Диапазоны вакуума
Вакуум можно подразделить на несколько степеней в зависимости от количества вещества, которое в нем осталось. Так, выделяют следующие степени вакуума (диапазон представлен от меньшей степени к большей):
- Атмосферное давление - 760 мм. рт. ст.
- Низкий вакуум - от 760 до 25 рт. ст.
- Средний вакуум - от 25 до 1×10 −3 мм. рт. ст.
- Высокий вакуум - от 1×10 −3 до 1×10 −9 мм. рт. ст.
- Сверхвысокий вакуум - от 1×10 −9 до 1×10 −12 мм. рт. ст.
- Экстремальный вакуум - <1×10 −12 мм. рт. ст.
- Космическое пространство - от 1×10 −6 до <3×10 −17 мм. рт. ст.
- Абсолютный вакуум - 0 мм. рт. ст.
Узнать значения других физических терминов вы можете в статьях раздела
Применяется обычно к газу, заполняющему ограниченный объём. В макроскопических объёмах идеальный вакуум недостижим на практике, поскольку при конечной температуре все материалы обладают ненулевой плотностью насыщенных паров. Кроме того, многие материалы (в том числе толстые металлические, стеклянные и иные стенки сосудов) пропускают газы. В микроскопических объёмах, однако, достижение идеального вакуума в принципе возможно. 33
На практике сильно разреженный газ называют техническим вакуумом. Строго говоря, техническим вакуумом называют газ в сосуде или трубопроводе с давлением ниже, чем в окружающей атмосфере. Согластно другому определению, когда молекулы, или атомы газа перестают сталкиваться друг с другом, и газодинамические свойства сменяются вязкостными (при давлении около 1 Торр) говорят о достижении низкого вакуума. Обычно низковакуумный насос стоит между атмосферным воздухом и высоковакуумным насосом, создавая предварительное разряжение, поэтому низкий вакуум часто называют форвакуум. При дальнейшем понижении давления в камере, увеличивается средняя длина свободного пробега λ молекул газа. При λ >> d, где d - размеры камеры, молекулы газа уже не сталкиваются друг с другом, а свободно перемещаются от стенки до стенки, в этом случае говорят о высоком вакууме(10-5 Торр). Сверхвысокий вакуум соответствует давлению 10-9 Торр и ниже. Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже, в дальнем же космосе и вовсе может достигать 10-30 Торр и ниже. 34
Высокий вакуум в микроскопических порах некоторых кристаллов достигается при атмосферном давлении, что связано именно с длиной свободного пробега газа. 35
Аппараты, используемые для достижения и поддержания вакуума, называются вакуумными насосами. Для поглощения газов и создания необходимой степени вакуума используются геттеры. Более широкий термин вакуумная техника включает также приборы для измерения и контроля вакуума, манипулирования предметами и проведения технологических операций в вакуумной камере, и т. д. 36
Стоит отметить, что даже в идеальном вакууме при конечной температуре всегда имеется некоторое тепловое излучение (газ фотонов). Таким образом, тело, помещённое в идеальный вакуум рано или поздно придёт в тепловое равновесие со стенками вакуумной камеры за счёт обмена тепловыми фотонами. 37
Космическое пространство
Космическое пространство имеет очень низкую плотность и давление, и является ближайшим приближением физического вакуума. Но космический вакуум не является действительно совершенным, даже в межзвёздном пространстве есть несколько атомов водорода на кубический сантиметр. 38
Звёзды, планеты и спутники держат свои атмосферы силой притяжения, и как таковой у атмосферы нет чётко очерченной границы: плотность атмосферного газа просто уменьшается с расстоянием от объекта. Атмосферное давление Земли падает до примерно 3,2×10−2 Па на 100 км (62 мили) высоты - на так называемой линии Кармана, которая является общим определением границы с космическим пространством. За этой линией изотропное давление газа быстро становится незначительным по сравнению с давлением излучения от Солнца и динамическим давлением солнечного ветра, поэтому определение давления становится трудно интерпретировать. Термосфера в этом диапазоне имеет большие градиенты давления, температуры и состава, и сильно варьируется в связи с космической погодой. 39
Плотность атмосферы в течение первых нескольких сотен километров выше линии Кармана всё ещё достаточна для оказания значительного сопротивления движению искусственных спутников Земли. Большинство спутников работают в этой области, называемой низкой околоземной орбитой, и должны подрабатывать двигателями каждые несколько дней для поддержания стабильной орбиты. 40
Космическое пространство заполнено большим количеством фотонов, так называемым реликтовым излучением, а также большим количеством реликтовых нейтрино, пока не поддающихся обнаружению. Текущая температура этих излучений составляет около 3 К, или −270 °C или −454° по Фаренгейту. 41
Понятие о вакууме менялось со временем. В самом начале развития наук об окружающем мире под вакуумом подразумевалась просто пустота, даже само vacuum переводится с латинского как «пустота». Это была скорее философская категория, так как исследовать нечто, хотя бы отдаленно соответствующее представлениям о вакууме, у ученых не было возможности. Современная называет вакуумом состояние квантового поля, при котором его энергетическое состояние находится на самом низком уровне. Это состояние характеризуется в первую очередь тем, что реальные частицы в нем отсутствуют. Техническим вакуумом называют сильно разреженный газ. Это не совсем идеальный вакуум, но дело в том, что в условиях он недостижим. Ведь все материалы пропускают газы в микроскопических объемах, поэтому любой вакуум, заключенный в сосуде, будет иметь помехи. Степень его разреженности измеряют с помощью параметра λ (лямбда), который указывает длину свободного частицы. Это расстояние, которое она может пройти до тех пор, пока столкнется с препятствием в виде другой частицы или стенки сосуда. Высокий вакуум – такой, при котором молекулы газа могу пройти от одной стенки до другой, практически никогда не сталкиваясь друг с другом. Низкий вакуум характеризуется достаточно большим количеством столкновений.Но даже если предположить, что удастся достигнуть идеального , то все равно не стоит забывать о таком факторе, как тепловое излучение – так называемый газ фотонов. Благодаря этому явлению температура тела, помещенного в вакуум, через некоторое время стала бы такой же, как стенки сосуда. Это произойдет именно благодаря движению тепловых фотонов. Физический вакуум – это пространство, в котором масса отсутствует полностью. Но, согласно квантовой теории поля, даже при таком состоянии его нельзя назвать абсолютной пустотой, так как в физическом вакууме непрерывно происходит образование и виртуальных частиц. Их еще называют нулевыми колебаниями поля. Существуют различные теории поля, в соответствии с которыми свойства безмассового пространства могут немного варьироваться. Допускается, что вакуум может быть одного из нескольких видов, каждому из которых присущи свои особенности. Некоторые из тех свойств квантового поля , которые предсказывались учеными-теоретиками, уже были подтверждены экспериментально. Есть среди гипотез и такие, которых сможет подтвердить или опровергнуть фундаментальные теории физики. Например, предположение о том, что возможны так называемые ложные вакуумы (различные вакуумные состояния) очень важно для подтверждения инфляционной теории Большого .
Молекул газа λ и характерным размером среды d . Под d может приниматься расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода и т. д. В зависимости от величины соотношения λ/d различают низкий (), средний () и высокий () вакуум.
Следует различать понятия физического вакуума и технического вакуума .
На практике сильно разреженный газ называют техническим вакуумом . В макроскопических объёмах идеальный вакуум недостижим на практике, поскольку при конечной температуре все материалы обладают ненулевой плотностью насыщенных паров. Кроме того, многие материалы (в том числе толстые металлические, стеклянные и иные стенки сосудов) пропускают газы. В микроскопических объёмах, однако, достижение идеального вакуума в принципе возможно.
Мерой степени разрежения вакуума служит длина свободного пробега молекул газа , связанной с их взаимными столкновениями в газе, и характерного линейного размера сосуда, в котором находится газ.
Строго говоря, техническим вакуумом называют газ в сосуде или трубопроводе с давлением ниже, чем в окружающей атмосфере. Согласно другому определению, когда молекулы или атомы газа перестают сталкиваться друг с другом, и газодинамические свойства сменяются вязкостными (при давлении около 1 торр ) говорят о достижении низкого вакуума () (10 16 молекул на 1 см³ ). Обычно между атмосферным воздухом и высоковакуумным насосом стоит так называемый форвакуумный насос, создавая предварительное разрежение, поэтому низкий вакуум часто называют форвакуум . При дальнейшем понижении давления в камере увеличивается средняя длина свободного пробега λ молекул газа. При молекулы газа гораздо чаще сталкиваются со стенками, чем друг с другом. В этом случае говорят о высоком вакууме (10 −5 торр ) (10 11 молекул на 1 см³ ). Сверхвысокий вакуум соответствует давлению 10 −9 торр и ниже. В сверхвысоком вакууме, например, обычно проводятся эксперименты с использованием сканирующего туннельного микроскопа . Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже, в дальнем же космосе и вовсе может достигать 10 −16 торр и ниже (1 молекула на 1 см³ ).
Высокий вакуум в микроскопических порах некоторых кристаллов достигается уже при атмосферном давлении, поскольку диаметр поры гораздо меньше длины свободного пробега молекулы.
Аппараты, используемые для достижения и поддержания вакуума, называются вакуумными насосами . Для поглощения газов и создания необходимой степени вакуума используются геттеры . Более широкий термин вакуумная техника включает также приборы для измерения и контроля вакуума, манипулирования предметами и проведения технологических операций в вакуумной камере и т. д. Высоковакуумные насосы являются сложными техническими приборами. Основные типы высоковакуумных насосов - это диффузионные насосы, основанные на увлечении молекул остаточных газов потоком рабочего газа, геттерные, ионизационные насосы, основанные на внедрении молекул газа в геттеры (например титан) и криосорбционные насосы (в основном для создания форвакуума).
Стоит отметить, что даже в идеальном вакууме при конечной температуре всегда имеется некоторое тепловое излучение (газ фотонов). Таким образом, тело, помещённое в идеальный вакуум, рано или поздно придёт в тепловое равновесие со стенками вакуумной камеры за счёт обмена тепловыми фотонами.
Вакуум является хорошим термоизолятором; перенос тепловой энергии в нём происходит лишь за счёт теплового излучения, конвекция и теплопроводность исключены. Это свойство используется для теплоизоляции в термосах (сосудах Дьюара), состоящих из ёмкости с двойными стенками, пространство между которыми вакуумированно.
Вакуум широко применяется в электровакуумных приборах - радиолампах (например, магнетронах микроволновых печей), электронно-лучевых трубках и т. п.
Физический вакуум
Под физическим вакуумом в квантовой физике понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. При этом такое состояние вовсе не обязательно соответствует пустоте: поле в низшем состоянии может быть, например, полем квазичастиц в твёрдом теле или даже в ядре атома, где плотность чрезвычайно высока. Физическим вакуумом называют также полностью лишённое вещества пространство, заполненное полем в таком состоянии. Такое состояние не является абсолютной пустотой . Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости , в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы : происходят так называемые нулевые колебания полей. В некоторых конкретных теориях поля вакуум может обладать нетривиальными топологическими свойствами. В теории могут существовать несколько различных вакуумов, различающихся плотностью энергии или другими физическими параметрами (в зависимости от применяемых гипотез и теорий). Вырождение вакуума при спонтанном нарушении симметрии приводит к существованию непрерывного спектра вакуумных состояний, отличающихся друг от друга числом голдстоуновских бозонов. Локальные минимумы энергии при разных значениях какого-либо поля, отличающиеся по энергии от глобального минимума, носят название ложных вакуумов ; такие состояния метастабильны и стремятся распасться с выделением энергии, перейдя в истинный вакуум или в один из нижележащих ложных вакуумов.
Некоторые из этих предсказаний теории поля уже были успешно подтверждены экспериментом. Так, эффект Казимира и лэмбовский сдвиг атомных уровней объясняется нулевыми колебаниями электромагнитного поля в физическом вакууме. На некоторых других представлениях о вакууме базируются современные физические теории. Например, существование нескольких вакуумных состояний (упомянутых выше ложных вакуумов) является одной из главных основ инфляционной теории Большого взрыва .
См. также
- Диэлектрическая проницаемость вакуума
- Вакуумное среднее
- Вакуумный конденсат
Применения:
Примечания
Литература
- L. B. Okun On the concepts of vacuum and mass and the search for higgs (англ.) // Modern Physics Letters A . - 2012. - Vol. 27. - P. 1230041. - DOI :10.1142/S0217732312300418 - arΧiv :1212.1031
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :Смотреть что такое "Вакуум" в других словарях:
Первая часть сложных слов. Обозначает отнесённость к вакууму, пространству с выкачанным воздухом; вакуумный. Вакуум аппарат, вакуум камера, вакуум измерительный, вакуум костюм, вакуум насос, вакуум процесс, вакуум установка, вакуум фильтр, вакуум … Энциклопедический словарь
- (лат., от vacare делать пустым). Пустое безвоздушное пространство. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ВАКУУМ безвоздушное пространство. В. аппарат котел, в котором вываривают, под безвоздушным… …
ВАКУУМ, область чрезвычайно низкого давления. В межзвездном пространстве царит высокий вакуум, со средней плотностью менее 1 молекулы на кубический сантиметр. Самый разреженный вакуум, созданный человеком, менее 100000 молекул на кубический… … Научно-технический энциклопедический словарь
Вакуум... вакуум... (… Словарь иностранных слов русского языка
Разрежение, пустота; пустое пространство, форвакуум, монжюс, отсутствие, недостаток Словарь русских синонимов. вакуум см. пустота Словарь синонимов русского языка. Практический справочник. М.: Русский язык. З. Е. Александрова … Словарь синонимов
вакуум - Состояние среды, абсолютное давление которой меньше атмосферного [ГОСТ 5197 85] вакуум Состояние жидкости, характеризующееся отрицательным избыточным давлением. [СО 34.21.308 2005] вакуум разрежение Давление газа ниже атмосферного. Примечание… … Справочник технического переводчика
- (от латинского vacuum пустота), состояние газа при давлениях p, более низких, чем атмосферное. Различают низкий вакуум (например, в вакуумных приборах), которому соответствует область давлений p>1 мм ртутного столба; средний: 10 3 мм ртутного… … Современная энциклопедия
- (от лат. vacuum пустота) состояние газа при давлениях p, более низких, чем атмосферное. Различают низкий вакуум (в вакуумных приборах и установках ему соответствует область давлений p выше 100 Па), средний (0,1 Па p 100 Па), высокий (10 5 Па p… … Большой Энциклопедический словарь
ВАКУУМ: ВАКУУМ... и ВАКУУМ... Первая часть сложных слов со знач. относящийся к вакууму (в 1 знач.), напр. вакуумметр, вакуум аппарат, вакуумкамера. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова
Вакуум... и ВАКУУМ... Первая часть сложных слов со относящийся к вакууму (в 1 знач.), напр. вакуумметр, вакуум аппарат, вакуумкамера. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова
Когда мы говорим "вакуум", то чаще всего подразумеваем космическое пространство - невообразимое количество пустоты, в котором изредка попадаются островки материи в виде отдельных звезд, планетарных систем, а также образованные из них галактики и другие надсистемы. На самом деле космическое пространство и вакуум - понятия разные, хоть и имеющие друг к другу прямое отношение.
Вакуум космический и бытовой
Итак, что такое вакуум? Если мы как следует поищем на просторах интернета, мы выясним, что это понятие используют для названия двух определенно разных вещей. Первый, тот самый, привычный нам «космовакуум», который иначе называют техническим вакуумом. И под ним подразумевается или полное отсутствие воздуха, а также других газов, или просто пониженное атмосферное давление.
Является ли в таком случае космическое пространство вакуумом? Конечно, хотя несколько атомов водорода на квадратный метр межзвездного пространства все равно найдутся. При этом абсолютный вакуум (полное отсутствие атомов какого-либо вещества) является величиной скорее абстрактной - получить его даже в крайне малых объемах на данный момент невозможно.
Возможно, в будущем это и не будет составлять проблемы, например, если для его создания использовать магнитное или иное поле. Вакуум не антигравитация и вполне укладывается в современную научную картину.
Кстати, для того чтобы «увидеть» технический вакуум, необязательно становиться участником космической программы. Достаточно будет приобрести в супермаркете упакованный с помощью откачки воздуха продукт или поставить жене банки на спину - что такое вакуум, как не помощник человека?
Вакуум как первооснова Вселенной
Во втором значении вакуум предстает перед нами как некий фундамент, на котором базируется и функционирует наш с вами материальный мир. Такой вакуум принято называть физическим. Физический вакуум, в отличие от технического, крайне сложно загнать в рамки определений и науки вообще. Грубо говоря, это даже не параллельная, а перпендикулярная вселенная - невообразимое нечто, не имеющее материи, но обладающее удивительными энергетическими аномалиями с крайне высоким потенциалом.
Научись мы получать эту энергию, и атомные станции вместе с гидроэлектростанциями отправятся на свалку истории. Что такое вакуум? Возможно, это тот самый эфир, та таинственная сила, о которой говорил невероятный серб Тесла, на десятилетия, а может и на века опередивший свое время.
Бесконечная энергия
Представим себе, что буквально на расстоянии вытянутой руки лежит океан удивительной, нескончаемой и крайне дешевой в получении энергии. Максимально упрощая - электрический вакуум. Сумей мы овладеть возможностью широкого применения возможностей физического вакуума, и задачи, которые на данный момент кажутся на грани невозможного, перейдут в раздел повседневных. Освоение Солнечной системы, на данный момент ограниченное робкими вылазками беспилотных аппаратов и замороженными проектами пилотируемых экспедиций, может превратиться в экономически прибыльное дело. А где прибыль, туда и устремляются ресурсы.
Вполне возможными стали бы экспедиции за пределы орбиты Плутона, особенно в том случае, если бы утопические мечты фантастов о путешествиях в мифическом «подпространстве» воплотились за счет использования подпространства вполне реального - вакуума. И скорость света, которую мы привыкли считать абсолютом, перестала бы иметь определяющее значение. Скорость в вакууме, скорей всего, стала бы такой же условностью, что и линейное время. Можно учесть, а можно и подвинуть.
И да, что такое вакуум? Это мечта. Голубая греза человечества о золотом веке науки и высоких технологий. Воплотимая ли? Вполне. Еще полсотни лет назад современный планшетный компьютер показался бы истинной магией, а сегодня он обыденность. Все зависит только от нас.
Два вакуума - выбирай по вкусу
Итак, мы с вами выяснили, что под одним и тем же термином "вакуум" подразумеваются две совершенно разные вещи. Вакуум технический - в большей или меньшей степени разреженная среда, которую можно обнаружить как за пределами земной атмосферы, так и в тривиальном водном насосе, поливающем ваш огород за счет разницы в давлении.
Второй вакуум, физический, представляет собой некую среду, не имеющую аналогов в нашей материальной Вселенной, возможно, первооснову всякой материи, потенциальный источник бесконечной энергии. Эфир Теслы и сила древних магов - обладая некоторой долей фантазии, этот список можно продолжить.
Что можно сказать напоследок? К чему бы ни относился термин "вакуум", он таит в себе манящую загадку.
Где мы получим ответы - в бескрайних просторах космоса или в «соседнем измерении»? Это покажет только время.
