Физический вакуум. Пустота – ткань Вселенной.

Аннотация

Физический вакуум является особым видом материи, претендующим на первооснову мира.

Авторы исследуют физический вакуум как целостный физический объект, которому не свойственна множественность и разложимость на части. Такой континуальный физический объект является наиболее фундаментальным видом физической реальности. Свойство континуальности придает ему наибольшую общность и не накладывает ограничений, свойственных множеству других объектов и систем. Континуальный вакуум расширяет класс известных физических объектов. Континуальный вакуум имеет наибольшую энтропию среди всех известных физических объектов и систем и является физическим объектом принципиально недоступным для приборного наблюдения. Приведены 3D-анимации вакуумных эффектов.

1. Научные и философские проблемы вакуума

Физический вакуум стал предметом изучения физики благодаря усилиям известных ученых: П.Дирака, Р.Фейнмана, Дж.Уилера, У.Лэмба, де Ситтера, Г.Казимира, Г.И.Наана,

Я.Б.Зельдовича, А.М.Мостепаненко В.М.Мостепаненко и др. Понимание физического вакуума как не пустого пространства сформировалось в квантовой теории поля. Теоретические исследования указывают на реальность существования в физическом вакууме энергии нулевых колебаний.

Поэтому внимание исследователей привлекают новые физические эффекты и феномены в надежде на то, что они позволят подступиться к океану вакуумной энергии. Достижению реальных результатов, в плане практического использования энергии физического вакуума, мешает непонимание его природы. Загадка природы физического вакуума остается одной из нерешенных проблем фундаментальной физики.

Ученые считают физический вакуум особым состоянием материи, претендующим на первооснову мира. В ряде философских концепций в качестве основы мира рассматривается категория "ничто". Ничто не считается пустотой, а рассматривается как "содержательная пустота".

При этом подразумевается, что "ничто", лишенное конкретных свойств и ограничений, присущих обычным физическим объектам, должно обладать особой общностью и фундаментальностью и,

таким образом, охватывать все многообразие физических объектов и явлений. Таким образом, "ничто" причисляется к ключевым категориям и отвергается принцип ex nigilo nigil fit (из “ничто” ничего не возникает). Философы древнего Востока утверждали, что наиболее фундаментальная реальность мира не может иметь никаких конкретных характеристик и, тем самым, напоминает небытие. Очень похожими признаками современные ученые наделяют физический вакуум. При этом, физический вакуум, будучи относительным небытием и "содержательной пустотой",

является вовсе не самым бедным, а наоборот, самым содержательным, самым "богатым" видом физической реальности. Считается, что физический вакуум, являясь потенциальным бытием,

способен порождать все множество объектов и явлений наблюдаемого мира. Таким образом,

физический вакуум претендует на статус онтологического базиса материи. Несмотря на то, что актуально физический вакуум не состоит из каких-либо частиц или полей, он содержит все потенциально. Поэтому, вследствие наибольшей общности, он может выступать в качестве онтологической основы всего многообразия объектов и явлений в мире. В этом смысле, пустота – самая содержательная и наиболее фундаментальная сущность. Такое понимание физического вакуума заставляет признать реальность существования не только в теориях, но и в Природе и

"ничто" и "нечто". Последнее существует как проявленное бытие – в виде наблюдаемого вещественно-полевого мира, а "ничто" существует как не проявленное бытие – в виде физического вакуума. В этом смысле, не проявленное бытие следует рассматривать как самостоятельную физическую сущность, обладающую наибольшей фундаментальностью.

2. Проявление свойств физического вакуума в экспериментах

Физический вакуум непосредственно не наблюдается, но проявление его свойств регистрируется в экспериментах. В физике известен ряд вакуумных эффектов. К ним относятся:

рождение электронно-позитронной пары, эффект Лэмба-Ризерфорда, эффект Казимира, эффект Унру. В результате поляризации вакуума электрическое поле заряженной частицы отличается от кулоновского. Это приводит к лембовскому сдвигу энергетических уровней и к появлению аномального магнитного момента у частиц. При воздействии фотона на физический вакуум в поле ядра возникают вещественные частицы – электрон и позитрон.

В 1965 году В.Л. Гинзбург и С.И. Сыроватский указали на то, что ускоренный протон нестабилен и должен распадаться на нейтрон, позитрон и нейтрино. В ускоренной системе должен присутствовать тепловой фон различных частиц. Наличие этого фона известно как эффект Унру и связано с различным состоянием вакуума в покоящейся и ускоренной системах отсчета.

Эффект Казимира состоит в возникновении силы, сближающей две пластины, находящиеся в вакууме. Эффект Казимира указывает на возможность извлечения механической энергии из вакуума. На рис.1 схематически показан эффект Казимира в физическом вакууме. 3D-анимация этого процесса показана на рис.1

Рис.1. Проявление силы Казимира в физическом вакууме.

Перечисленные физические эффекты указывают на то, что вакуум не является пустотой, а

выступает в качестве реального физического объекта.

3. Модели физического вакуума

В современной физике предпринимаются попытки представить физический вакуум различными моделями. Многие ученые, начиная с П. Дирака, пытались найти модельные представления, адекватные физическому вакууму. В настоящее время известны: вакуум Дирака,

вакуум Уилера, вакуум де Ситтера, вакуум квантовой теории поля, вакуум Тэрнера-Вилчека и др.

Вакуум Дирака является одной из первых моделей. В ней физический вакуум представлен "морем"

заряженных частиц, находящихся в самом низком энергетическом состоянии. На рис.2 показана модель электронно-позитронного физического вакуума - “море Дирака”. 3D-анимация процессов в море Дирака показана на рис. 2

Рис.2. Модель физического вакуума - “море Дирака”.

Вакуум Уилера состоит из геометрических ячеек планковских размеров. Согласно Уилеру все свойства реального мира и сам реальный мир есть не что иное, как проявление геометрии пространства.

Вакуум де Ситтера представлен совокупностью частиц с целочисленным спином,

находящихся в низшем энергетическом состоянии. В модели де Ситтера физический вакуум обладает свойством, совершенно не присущим любому состоянию вещества. Уравнение состояния такого вакуума, связывающее давление Р и плотность энергии W, имеет необычный вид: .

Причина появления такого экзотического уравнения состояния связана с представлением вакуума многокомпонентной средой, в которой для компенсации сопротивления среды движущимся частицам введено понятие отрицательного давления. На рис.3 условно показана модель вакуума де Ситтера.

Рис.3. Модель физического вакуума де Ситтера.

Вакуум квантовой теории поля содержит в виртуальном состоянии всевозможные частицы.

Эти частицы лишь на короткое время могут появляться в реальном мире и снова переходят в виртуальное состояние. На рис.4 показана модель вакуума квантовой теории поля. 3D-анимация процесса возникновения и исчезновения виртуальных частиц показана на рис 4.

Рис.4. Модель физического вакуума квантовой теории поля.

Вакуум Тэрнера-Вилчека представлен двумя проявлениями – "истинным" вакуумом и

"ложным" вакуумом. То, что в физике считается самым низким энергетическим состоянием, есть

"ложный" вакуум, а истинно нулевое состояние находится ниже по энергетической лестнице. При этом считается, что "ложный" вакуум может переходить в состояние "истинного" вакуума.

Вакуум Герловина представлен несколькими проявлениями. И.Л. Герловин разработал специфический вариант "Единой теории поля". Он назвал свой вариант данной теории – "Теория фундаментального поля". Теория фундаментального поля основана на физико-математической модели "расслоенных пространств". Физический вакуум, согласно теории фундаментального поля представляет собой смесь нескольких видов вакуума в соответствии с видом образующих их

"голых" элементарных частиц. Каждый вид вакуума состоит из не проявляющих себя в

"лабораторном" подпространстве элементарных частиц вакуума, каждая из которых состоит из фермион-антифермионной пары "голых" элементарных частиц. В теории фундаментального поля существует девять видов вакуума. Заметно проявляют себя в физическом мире только два вида вакуума, имеющие наибольшую плотность – протон-антипротонный вакуум и электрон-

позитронный вакуум. По мнению Герловина основные свойства "лабораторного" физического вакуума, например, диэлектрическая проницаемость, определяются свойствами протон-

антипротонного вакуума.

Фитонная модель вакуума предполагает, что невозмущенный вакуум состоит из вложенных друг в друга фитонов, имеющих противоположные спины. По мнению авторов этой модели в среднем такая среда нейтральна, обладает нулевой энергией и нулевым спином.

Физический вакуум как модель квантовой жидкости состоит из фотонных частиц (ф – частиц). В этой модели фотонные частицы расположены в определенном порядке, наподобие кристаллической решетки.

Физический вакуум может быть также представлен как сверхтекучая жидкость, состоящая из фермион-антифермионных пар с ненулевой массой покоя.

Существующие модели физического вакуума весьма противоречивы. Однако большинство предложенных концепций и модельных представлений физического вакуума несостоятельны как в теоретическом, так и в экспериментальном планах. Это относится и к "морю Дирака", и к модели

"расслоенных пространств", и к другим моделям. Причина состоит в том, что в сравнении со всеми другими видами физической реальности физический вакуум имеет ряд парадоксальных свойств, что ставит его в ряд объектов, трудно поддающихся моделированию. Обилие различных модельных представлений вакуума указывает на то, что до сих пор отсутствует модель, адекватная реальному физическому вакууму.

4. Проблемы создания теории физического вакуума

Современная физика стоит на пороге перехода от концептуальных представлений о физическом вакууме к теории физического вакуума. Современные концепции физического вакуума имеют существенный недостаток – они отягощены геометрическим подходом. Проблема,

с одной стороны, состоит в том, чтобы не представлять физический вакуум геометрическим объектом, а с другой стороны, оставляя физический вакуум в статусе физической сущности, не подходить к его изучению с механистических позиций. Создание непротиворечивой теории физического вакуума требует прорывных идей, далеко выходящих за рамки традиционных подходов.

Реальность такова, что в рамках квантовой физики, породившей саму концепцию физического вакуума, теория вакуума не состоялась. Не удалось создать теорию вакуума и в рамках классических представлений. Становится все более очевидным, что "зона жизни" будущей теории физического вакуума должна находиться за пределами квантовой физики и, скорее всего,

ей предшествовать. По всей видимости, квантовая теория должна быть следствием и продолжением теории физического вакуума, коль скоро физическому вакууму отводится роль наиболее фундаментальной физической сущности, роль основы мира. Будущая теория физического вакуума должна удовлетворять принципу соответствия. В таком случае теория физического вакуума должна естественным образом переходить в квантовую теорию. Для построения теории физического вакуума важно получить ответ на вопрос: "какие константы относятся к физическому вакууму?" Если считать, что физический вакуум является онтологической основой мира, то его константы должны выступать в качестве онтологического базиса всех физических констант. Эта проблема исследовалась и были предложены пять первичных суперконстант, от которых происходят фундаментальные физические и космологические константы. Эти константы могут быть отнесены к физическому вакууму. На рис. 5 приведены пять универсальных физических суперконстант и их значения.

Рис. 5. Универсальные физические суперконстанты.

В настоящее время преобладает концепция, в рамках которой считается, что вещество происходит из физического вакуума и свойства вещества проистекают из свойств физического вакуума. Такой концепции придерживались П. Дирак, Ф.Хойл, Я.Б.Зельдович, Э.Трайон и др. Я.Б.

Зельдович исследовал даже более амбициозную задачу – происхождение всей Вселенной из вакуума. Он показал, что твердо установленные законы Природы при этом не нарушаются. Строго выполняются закон сохранения электрического заряда и закон сохранения энергии. Единственный закон, который не выполняется при рождении Вселенной из вакуума – это закон сохранения барионного заряда. Остается непонятным, куда подевалось огромное количество антивещества,

которое в равном количестве с веществом должно было появиться из физического вакуума.

5. Несостоятельность концепции дискретного вакуума

Идеи о том, что какие-либо дискретные частицы могут составлять основу физического вакуума, оказались несостоятельными как в теоретическом плане, так и в практическом приложении. Подобные идеи вступают в противоречие с фундаментальными принципами физики,

Как считал П. Дирак, физический вакуум порождает дискретное вещество. Это значит, что физический вакуум должен генетически предшествовать веществу. Чтобы понять суть физического вакуума, надо оторваться от стереотипного понимания "состоять из…". Мы привыкли, что наша атмосфера - это газ, состоящий из молекул. Долгое время в науке господствовало понятие "эфир". И сейчас можно встретить сторонников концепции светоносного эфира или существования в физическом вакууме газа из гипотетических частиц. Все попытки найти место "эфиру" или иным дискретным объектам в концепциях вакуума или в моделях

вакуума не привели к пониманию сущности физического вакуума. Статус такого вида физической реальности, каким являются дискретные частицы, всегда вторичен. Вновь и вновь будет возникать задача выяснения происхождения дискретных частиц и, соответственно, поиска более фундаментальной сущности.

Можно сделать вывод, что концепции дискретного вакуума принципиально несостоятельны. Весь путь развития физики показал, что никакая частица не может претендовать на фундаментальность и выступать в качестве основы мироздания. Дискретность свойственна веществу. Вещество не имеет первичного статуса, оно происходит из физического вакуума,

поэтому оно принципиально не может выступать в качестве фундаментальной основы мира.

Поэтому физический вакуум не должен иметь признаков, свойственных веществу. Он не должен быть дискретным. Он является антиподом вещества. Его основной признак – континуальность.

Осознание системной организации вещественного мира и материального единства мира,

является величайшим достижением человеческой мысли. К этой системе мира добавилась еще одна подсистема – физический вакуум. Однако существующая система структурных уровней организации мира пока выглядит незавершенной. Она не ориентирована на генетическую взаимосвязь уровней и на естественное развитие. Она не завершена снизу и сверху.

Незавершенность снизу предполагает выяснение величайшей тайны природы - механизма происхождения дискретного вещества из континуального вакуума. Незавершенность сверху требует раскрытия не меньшей тайны - связи физики микромира и физики Вселенной.

Современные физические теории, в попытках найти фундаментальные физические объекты, демонстрируют тенденцию перехода от частиц – трехмерных объектов, к объектам нового вида, имеющим меньшую размерность. Например, в теории суперструн размерность объектов-суперструн намного меньше размерности пространства. Фундаментальные струны понимаются как 1-мерные объекты. Они бесконечно тонкие, а длина их порядка 10-33 см.

Считается, что у физических объектов, имеющих меньшую размерность, больше оснований претендовать на фундаментальный статус. В тенденции перехода к фундаментальным объектам,

имеющим меньшую размерность, перспективным, на наш взгляд, является подход В. Жвирблиса.

Жвирблис утверждает, что физический вакуум – непрерывная материальная среда. По аналогии с

"нитью Пеано", бесконечно плотно заполняющей двумерное пространство, условно разбитое на квадраты, автор предлагает новую модель физического вакуума – "нить Жвирблиса", бесконечно плотно заполняющую трехмерное пространство, условно разбитое на тетраэдры.

На рис.6 показана модель вакуума Жвирблиса.

Рис. 6. Нить Жвирблиса.

По нашему мнению, это большой прорыв в понимании сущности физического вакуума как фундаментальной основы мира. Жвирблис, в отличие от других ученых, в качестве модели физического вакуума рассматривает не многокомпонентную среду, а одномерный математический объект – "нить Жвирблиса". В отличие от всех известных моделей, в его модели дискретности и множественности отведено самое минимальное место – используется одномерный математический объект. В пределе понимается, что при сверхплотном заполнении пространства среда становится непрерывной.

На рисунке 7 показана тенденция перехода к объектам, имеющим меньшую размерность. Мы считаем, что в этой тенденции поиска наиболее фундаментального объекта недоставало решающего шага – перехода к нуль-мерному объекту. Эта проблема исследовалась и было предложено, что физический вакуум, в отличие от традиционного понимания, представлен как нуль-мерный физический объект.

Рис.7. Тенденция в физических теориях: переход от трехмерных объектов к нуль-мерному объекту.

Фундаментальные объекты в теории суперструн имеют планковские размеры. Тем не менее, пока нет убедительных доводов, что "планкеоны" или "суперструны" составляют основу мира. Нет оснований считать, что не существует объектов, имеющих размеры меньше планковских. В этом контексте следует заметить, что планковские естественные единицы не являются единственными. В физике известны константы Джорджа Стони, образованные комбинацией констант G, c, e. Они имеют меньшие значения по сравнению с планковскими

единицами, и вполне могут выступать конкурентами планковским единицам. Единицы Планка и единицы Стони исследовались и были предложены новые системы естественных единиц,

относящиеся к глубинным уровням организации материи в микромире ниже планковского уровня.

Новые системы естественных единиц образованы гравитационной константой G, зарядом электрона e, скоростью света c, постоянной Ридберга R∞, постоянной Хаббла H0.

На рис.8, для сравнения, приведены значения планковских естественных единиц, естественных единиц Джорджа Стони и новых естественных единиц.

Рис. 8. Естественные единицы М. Планка, естественные единицы Дж. Стони и новые естественные единицы.

Подход, в рамках которого считается, что физический вакуум существует в виде непрерывной среды является многообещающим. При таком подходе к физическому вакууму находит объяснение его ненаблюдаемость. Не следует связывать ненаблюдаемость физического вакуума с несовершенством приборов и способов исследования. Физический вакуум – принципиально ненаблюдаемая среда – это прямое следствие его непрерывности. Наблюдаемыми являются только вторичные проявления физического вакуума – поле и вещество. Для континуального физического объекта нельзя указать никаких других свойств, кроме свойства непрерывности. К континуальному объекту неприменимы никакие меры, это антипод всему дискретному.

Физика, на примере проблемы физического вакуума, сталкивается с коллизией непрерывности и дискретности, с которой столкнулась математика в теории множеств. Попытка разрешить противоречие непрерывности и дискретности в математике была предпринята Кантором (континуум-гипотеза Кантора). Эту гипотезу не удалось доказать ни ее автору, ни другим выдающимся математикам. В настоящее время причина неудач выяснена. В соответствии с выводами П.Коэна: сама идея множественной, дискретной структуры континуума является ложной . Распространяя этот результат на континуальный вакуум можно утверждать: "идея множественной или дискретной структуры физического вакуума является ложной".

С учетом парадоксальных свойств и признаков можно констатировать, что континуальный вакуум является новым видом физической реальности, с которым физика еще не сталкивалась.

6. Критерии фундаментальности

В связи с тем, что физический вакуум претендует на фундаментальный статус, более того,

даже на онтологический базис материи, он должен обладать наибольшей общностью и ему не должны быть присущи частные признаки, характерные для множества наблюдаемых объектов и явлений. Известно, что присвоение объекту какого-либо дополнительного признака уменьшает универсальность этого объекта. Так, например, ножницы – универсальное понятие. Добавление какого-либо признака сужает круг охватываемых этим понятием объектов (ножницы бытовые,

слесарные, кровельные, дисковые, гильотинные, портновские и т.п.). Таким образом, приходим к выводу, что на онтологический статус может претендовать такая сущность, которая лишена каких-

либо признаков, мер, структуры и которую принципиально нельзя моделировать, поскольку любое моделирование предусматривает использование дискретных объектов и наделение моделируемого объекта конкретными признаками и мерами. Физическая сущность, претендующая на фундаментальный статус не должна быть составной, поскольку составная сущность имеет вторичный статус по отношению к ее составляющим.

Таким образом, требование фундаментальности и первичности для физического объекта влечет за собой выполнение следующих основных условий:

1. Не быть составным.

2. Иметь наименьшее количество признаков, свойств и характеристик.

3. Иметь наибольшую общность для всего многообразия объектов и явлений.

4. Быть потенциально всем, а актуально ничем.

5. Не иметь никаких мер.

Не быть составным – это означает не содержать в себе ничего, кроме самого себя, т.е. быть целостным объектом. Относительно второго условия идеальным должно быть требование - совсем не иметь признаков. Иметь наибольшую общность для всего многообразия объектов и явлений – это означает не обладать признаками частных, конкретных объектов, поскольку любая конкретизация сужает общность. Быть потенциально всем, а актуально ничем – это означает оставаться ненаблюдаемым и одновременно быть основой всему сущему. Не иметь никаких мер – это означает быть континуальным объектом.

Эти пять условий первичности и фундаментальности чрезвычайно созвучны с мировоззрением философов древности, в частности, представителей школы Платона. Они считали,

что мир возник из фундаментальной сущности – из изначального Хаоса. По их воззрениям Хаос породил все существующие структуры Космоса. При этом Хаосом они считали такое состояние системы, которое остается на конечном этапе по мере некоего условного устранения всех возможностей проявления ее свойств и признаков.

Что такое вакуум ? На этот вопрос обычно отвечают: "пространство с разреженным воздухом" или "пространство внутри сосуда, из которого выкачан воздух". Но всякая ли степень разрежения это вакуум и находиться ли вакуум в какой-либо связи с ?

Некоторые предпосылки к эмпирическому исследованию вакуума существовали ещё в античности. Древнегреческие механики создавали различные технические устройства, основанные на разрежении воздуха. Например, водяные насосы, действующие путём создания разрежения под поршнем, были известны ещё во времена Аристотеля. Эмпирическое изучение вакуума началось лишь в 17 веке, с концом Возрождения и началом научной революции Нового времени. К этому моменту уже давно было известно, что всасывающие насосы могут поднимать воду на высоту не более 10 метров.

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.

Строго говоря, техническим вакуумом называют газ в сосуде или трубопроводе с давлением ниже, чем в окружающей атмосфере. 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 молекул газа. При этом молекулы газа гораздо чаще сталкиваются со стенками, чем друг с другом. В этом случае говорят о высоком вакууме. Высокий вакуум в микроскопических порах некоторых кристаллов достигается уже при атмосферном давлении, поскольку диаметр поры гораздо меньше длины свободного пробега молекулы.

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.

Действительно, предположим, что в баллоне воздух разрежен в 10000 раз по сравнению с плотностью его при нормальном атмосферном давлении, т. е. давление внутри баллона равно 0,076 мм. рт. ст.

Будет ли в баллоне вакуум? И можем ли мы продолжать считать, что в баллоне вакуум, если этот баллон поднят на высоту 100 км над поверхностью земли, где давление воздуха составляет всего 0,007 мм. рт. ст. Ведь в этом случае плотность воздуха внутри баллона станет в 10 раз больше, чем снаружи! Тогда, где же будет вакуум – внутри баллона или снаружи?

Современная физика связывает вакуум не с величиной давления вне или внутри сосуда, а с длиной свободного пробега молекул газа внутри него. Молекулы газов находятся в беспрерывном хаотическом тепловом движении; при комнатной температуре скорость теплового движения молекул воздуха равна примерно 450 м/с, т. е. приближается к скорости . Двигаясь во всех направлениях, молекулы постоянно сталкиваются друг с другом. Чем плотнее воздух, тем больше молекул заключается в единице объема и тем чаще молекулы сталкиваются.

Если воздух разредить, то молекулы будут сталкиваться менее часто. В среднем им придется пролетать больший путь между двумя столкновениями, который и называется длиной свободного пробега.

Вакуум с физической точки зрения – это такое разрежение, при котором длина свободного пробега в среднем больше размера сосуда. Когда в сосуде вакуум столкновения молекул будут редкими, большая часть молекул в своем движении от одной стенки сосуда до другой не встретится с другими молекулами.

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, состоящих из ёмкости с двойными стенками, пространство между которыми вакуумированно.

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

Слово «вакуум» происходит от латинского «vacuum», что означает «пустота». Это такое состояние пространства, когда в нем находится очень мало молекул газа, значительно меньше, чем в обычном воздухе. Даже разреженный газ с давлением меньше атмосферного уже называют вакуумом. Глубокий вакуум царит в космическом пространстве, да и на Земле его научились создавать искусственно.

Искусственный вакуум создается с помощью специального оборудования. Это так называемые вакуумные насосы различных конструкций, которыми откачивают воздух из какой-либо емкости. Однако абсолютного вакуума достичь невозможно. Ведь даже металлические стенки сосуда имеют в себе некоторое количество газов, которые выделяются из них. Кроме того, любое вещество хоть немного, но пропускает сквозь себя молекулы газа извне. Поэтому невозможно удалить их полностью, всегда некоторое количество остается, но оно так мало, что термин «вакуум» вполне применим.

Интересно, что если поместить предмет в вакуумную камеру, чтобы он не касался стенок, то его температура, казалось бы, должна сохраняться все время одной и одинаковой. На самом деле этого не происходит – даже в очень глубоком вакууме все предметы излучают так называемые тепловые фотоны. Обмениваясь ими со стенками емкости, наш предмет со временем сравняет свою температуру с ними, хотя времени это займет гораздо больше, чем в воздушном пространстве.

Этот принцип положен в основу некоторых привычных нам приспособлений. Например, все видели стеклянную колбу в термосе. Между ее стенками создан вакуум, а сами стенки окрашены серебристой краской, хорошо отражающей те только свет, но и тепловое излучение. Налитая в термос жидкость долго не остывает или не нагревается потому, что отделена от обычной среды вакуумом. За счет серебристого покрытия колбы, ее наружная стенка еще меньше реагирует на тепло оставшегося в ней воздуха.

Еще один всем знакомый предмет с вакуумом – обычная электрическая лампочка. За счет отсутствия кислорода в ней электрическая спираль служит гораздо дольше, ведь она не окисляется. Стоит вакууму нарушиться – спираль перегорает практически мгновенно. Многие это наблюдали, купив лампочку с плохо запаянным цоколем или поврежденную. Видимо, от качества вакуума зависит и долговечность лампочки – нормальный срок ее работы должен быть не менее пяти лет.

Считается, что в космическом пространстве нет ничего – только пустота. Но это неверно. Даже в межзвездном пространстве находится газ – в основном водород. Его плотность очень низка – примерно одна молекула на кубический сантиметр. Однако существует еще множество других частиц – фотонов, электронов и т.д. Все это создает некоторое количество вещества, пусть и очень разреженного, но все-таки оно есть.

Еще один интересный факт – если вакуумом считать газ с давлением меньше атмосферного, то некоторые звезды состоят из него. Да, эти огромные светящиеся газовые шары состоят практически из пустоты! Известно, что звезды – сверхгиганты имеют маленькую плотность. Это особенно касается красных сверхгигантов, которые завершают свой жизненный путь. Чем больше звезда – тем меньше плотность. Лишь в ядре плотность вещества позволяет поддерживать термоядерную реакцию, но размер его – мелочь по сравнению со всей звездой.

Насос для демонстрации вакуума

Высокий вакуум в микроскопических порах некоторых кристаллов и в ультратонких капиллярах достигается уже при атмосферном давлении, поскольку диаметр поры/капилляра становится меньше, чем длина свободного пробега молекулы, равная в воздухе при нормальных условиях ~60 нанометрам .

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 вакуумировано.

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 .

Ложный вакуум

Ложный вакуум - состояние в квантовой теории поля , которое не является состоянием с глобально минимальной энергией , а соответствует её локальному минимуму. Такое состояние стабильно в течение определённого времени (метастабильно), но может «туннелировать » в состояние истинного вакуума.

Эйнштейновский вакуум

Эйнштейновский вакуум - иногда встречающееся название для решений уравнений Эйнштейна в общей теории относительности для пустого, без материи, пространства-времени . Синоним - пространство Эйнштейна .

Уравнения Эйнштейна связывают метрику пространства-времени (метрический тензор g μν ) с тензором энергии-импульса. В общем виде они записываются как

G μ ν + Λ g μ ν = 8 π G c 4 T μ ν , {\displaystyle G_{\mu \nu }+\Lambda g_{\mu \nu }={8\pi G \over c^{4}}T_{\mu \nu },}

где тензор Эйнштейна G μν является определённой функцией метрического тензора и его частных производных, R - скалярная кривизна , Λ - космологическая постоянная , T μν - тензор энергии-импульса материи, π - число пи , c - скорость света в вакууме, G - гравитационная постоянная Ньютона.

Вакуумные решения этих уравнений получаются при отсутствии материи, то есть при тождественном равенстве нулю тензора энергии-импульса в рассматриваемой области пространства-времени: T μν = 0 . Часто лямбда-член также принимается равным нулю, особенно при исследовании локальных (некосмологических) решений. Однако при рассмотрении вакуумных решений с ненулевым лямбда-членом (лямбда-вакуум ) возникают такие важные космологические модели, как модель Де Ситтера (Λ > 0 ) и модель анти-Де Ситтера (Λ < 0 ).

Тривиальным вакуумным решением уравнений Эйнштейна является плоское пространство Минковского , то есть метрика, рассматриваемая в специальной теории относительности .

Другие вакуумные решения уравнений Эйнштейна включают в себя, в частности, следующие случаи:

Космологическая модель Милна (частный случай метрики Фридмана с нулевой плотностью энергии)
Метрика Шварцшильда , описывающая геометрию вокруг сферически симметричной массы
Метрика Керра , описывающая геометрию вокруг вращающейся массы
Плоская гравитационная волна (и другие волновые решения)

Космическое пространство

Космическое пространство имеет очень низкую плотность и давление и является наилучшим приближением физического вакуума. Но космический вакуум не является действительно совершенным, даже в межзвёздном пространстве есть несколько атомов водорода на кубический сантиметр.

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 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.

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.

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.

История изучения вакуума

Идея вакуума (пустоты) была предметом споров ещё со времён древнегреческих и древнеримских философов. Атомисты - Левкипп (ок. 500 г. до н. э.), Демокрит (около 460-370 гг. до н. э.), Эпикур (341-270 гг. до н. э.), Лукреций (ок. 99-55 гг. до н. э.) и их последователи - предполагали, что всё существующее - атомы и пустота между ними, причём без вакуума не было бы и движения, атомы не могли бы двигаться, если бы между ними не было пустого пространства. Стратон (ок. 270 г. до н. э.) и многие философы в более поздние времена полагали, что пустота может быть «сплошной» (vacuum coacervatum ) и «рассеянной» (в промежутках между частицами вещества, vacuum disseminatum ).

Вакуумный насос Герике был значительно усовершенствован Робертом Бойлем , что позволило ему выполнить ряд экспериментов для выяснения свойств вакуума и его влияния на различные объекты. Бойль обнаружил, что в вакууме гибнут мелкие животные, огонь потухает, а дым опускается вниз (и, следовательно, так же подвержен влиянию силы тяжести, как и другие тела). Бойль выяснил также, что поднятие жидкости в капиллярах происходит и в вакууме, и тем самым опроверг господствовавшее тогда мнение, что в этом явлении участвует давление воздуха. Напротив, перетекание жидкости через сифон в вакууме прекращалось, чем было доказано, что это явление обусловлено атмосферным давлением. Он показал, что при химических реакциях (таких, как гашение извести), а также при взаимном трении тел тепло выделяется и в вакууме.

Влияние на людей и животных

Люди и животные, подвергшиеся воздействию вакуума, теряют сознание через несколько секунд и умирают от гипоксии в течение нескольких минут, но эти симптомы, как правило, не похожи на те, которые показывают в популярной культуре и СМИ. Снижение давления понижает температуру кипения, при которой кровь и другие биологические жидкости должны закипеть, но упругое давление кровеносных сосудов не позволяет крови достичь температуры кипения 37 °С . Хотя кровь не вскипает, эффект образования газовых пузырьков в ней и других жидкостях тела при низких давлениях, известный как эбуллизм (воздушная эмфизема), является серьёзной проблемой. Газ может раздувать тело в два раза больше его нормального размера, но ткани достаточно эластичны, чтобы предотвратить их разрыв . Отёки и эбуллизм можно предотвратить специальным лётным костюмом. Астронавты шаттлов носили специальную эластичную одежду под названием Crew Altitude Protection Suit (CAPS), которая предотвращает эбуллизм при давлении более 2 кПа (15 мм рт.ст. ) . Быстрое испарение воды охлаждает кожу и слизистые оболочки до 0 °С, особенно во рту, но это не представляет большой опасности.

Эксперименты на животных показывают, что после 90 секунд нахождения организма в вакууме обычно происходит быстрое и полное восстановление организма, однако более долгое пребывание в вакууме фатально и реанимация бесполезна . Имеется лишь ограниченный объем данных о влиянии вакуума на человека (как правило, это происходило при попадании людей в аварию), но они согласуются с данными, полученными в экспериментах на животных. Конечности могут находиться в вакууме гораздо дольше, если дыхание не нарушено . Первым показал, что вакуум смертелен для мелких животных, Роберт Бойль в 1660 году .

Измерение

Степень вакуума определяется количеством вещества, оставшимся в системе. Вакуум, в первую очередь, определяется абсолютным давлением , а полная характеристика требует дополнительных параметров, таких как температура и химический состав. Одним из наиболее важных параметров является средняя длина свободного пробега (MFP) остаточных газов, которая указывает среднее расстояние, которое частица пролетает за время свободного пробега от одного столкновения до следующего. Если плотность газа уменьшается, MFP увеличивается. MFP в воздухе при атмосферном давлении очень короткий, около 70 нм , а при 100 мПа (~1×10 −3 торр ) MFP воздуха составляет примерно 100 мм . Свойства разреженного газа сильно изменяются, когда длина свободного пробега становится сравнима с размерами сосуда, в котором находится газ.

Вакуум подразделяется на диапазоны в соответствии с технологией, необходимой для его достижения или измерения. Эти диапазоны не имеют общепризнанных определений, но типичное распределение выглядит следующим образом :

	Давление ()	Давление (Па)
Атмосферное давление	760	1,013×10 +5
Низкий вакуум	от 760 до 25	от 1×10 +5 до 3,3×10 +3
Средний вакуум	от 25 до 1×10 −3	от 3,3×10 +3 до 1,3×10 −1
Высокий вакуум	от 1×10 −3 до 1×10 −9	от 1,3×10 −1 до 1,3×10 −7
Сверхвысокий вакуум	от 1×10 −9 до 1×10 −12	от 1,3×10 −7 до 1,3×10 −10
Экстремальный вакуум	<1×10 −12	<1,3×10 −10
Космическое пространство	от 1×10 −6 до <3×10 −17	от 1,3×10 −4 до <1,3×10 −15
Абсолютный вакуум	0	0

Применение

Вакуум полезен для многих процессов и применяется в разных устройствах. Впервые для массово используемых товаров он был применён в лампах накаливания с целью защиты нити от химического разложения . Химическая инертность материалов, обеспечиваемая вакуумом, также полезна для электронно-лучевой сварки , холодной сварки , вакуумной упаковки и вакуумной жарки. Сверхвысокий вакуум используется при изучении атомарно чистых субстратов, так как только очень высокий вакуум сохраняет поверхности чистыми на атомарном уровне в течение досточно длительного времени (от минут до суток). При высоком и сверхвысоком вакуумуировании устраняется противодействие воздуха, позволяя пучкам частиц осаждать или удалять материалы без загрязнения. Этот принцип лежит в основе химического осаждения из газовой фазы , вакуумного напыления и сухого травления, которые применяются в производстве полупроводников и оптических покрытий, а также в химии поверхности. Снижение конвекции обеспечивает теплоизоляцию в термосах . Глубокий вакуум понижает температуру кипения жидкости и способствует низкой температуре дегазации , которое используется в сублимационной сушке , приготовлении клея , перегонке , металлургии и вакуумной очистке. Электрические свойства вакуума делают возможными электронные микроскопы и вакуумные трубки , включая катодные лучевые трубки . Вакуумные выключатели используются в электрических распределительных устройствах . Вакуумный пробой имеет промышленное значение для производства определенных марок стали или материалов высокой чистоты. Исключение трения воздуха полезно для накопления энергии маховика и ультрацентрифуг .

Управляемые вакуумом машины

Вакуум обычно используется, чтобы произвести всасывание , которое имеет ещё более широкий спектр применения. Паровой двигатель Ньюкомена использовал вакуум вместо давления, чтобы управлять поршнем. В XIX веке вакуум был использован для тяги на экспериментальной пневматической железной дороге Изамбарда Брунеля . Вакуумные тормоза когда-то широко использовались на поездах в Великобритании, но, за исключением исторических железных дорог , они были заменены пневматическими тормозами .

Этот насос мелководной скважины уменьшает давление атмосферы внутри собственной камеры. Разрежение атмосферы расширяется вниз в скважину и заставляет воду течь вверх по трубе в насос, чтобы выровнять пониженное давление. Насосы с наземной камерой эффективны только до глубины около 9 метров, за счет веса столба воды уравнивающего атмосферное давление.

Вакуум впускного коллектора можно использовать для того, чтобы управлять вспомогательным оборудованием на автомобилях. Наиболее известное применение - это вакуумный усилитель для увеличения мощности тормозов . Ранее вакуум применялся в вакуум-приводах стеклоочистителя и топливных насосах Autovac. Некоторые авиационные приборы (авиагоризонт и указатель курса) обычно управляются вакуумом, как страховка от выхода из строя всех (электрических) приборов, поскольку ранние самолеты часто не имели электрических систем, и поскольку есть два легкодоступных источников вакуума на движущемся самолете, двигатель и трубка Вентури . При вакуумноиндукционной плавке применяют электромагнитную индукцию в вакууме.

Поддержание вакуума в конденсаторе важно для эффективной работы паровых турбин . Для этого используется паровой инжектор или водокольцевой насос . Обычный вакуум, поддерживаемый в паровом объёме конденсатора на выхлопном патрубке турбины (еще его называют давление конденсатора турбины), находится в диапазоне от 5 до 15 кПа, в зависимости от типа конденсатора и условий окружающей среды.

Дегазация

Испарение и сублимация в вакууме называется дегазацией . Все материалы, твердые или жидкие, немного парят (происходит газовыделение), и их дегазация необходима когда давление вакуума падает ниже давления их пара. Парение материалов в вакууме имеет такое же эффект как натекание и может ограничить достижимый вакуум. Продукты испарения могут конденсироваться на близлежащих более холодных поверхностях, что может вызвать проблемы, если они покроют оптические приборы или вступят в реакцию с другими материалами. Это вызывает большие трудности при полётах в космосе, где затемненный телескоп или элемент солнечной батареи может сорвать высокозатратную операцию.

Самым распространенным выделяющимся продуктом в вакуумных системах является вода, поглощенная материалами камер . Её количество может быть уменьшено сушкой или прогревом камеры и удалением абсорбирующих материалов. Испаряющаяся вода может конденсироваться в масле пластинчато-роторных насосов и резко уменьшить их рабочую скорость, если не используется газобалластное устройство. Высоковакуумные системы должны быть чистыми, в них не должно оставаться органических веществ, чтобы свести к минимуму газовыделение.

Сверхвысокие вакуумные системы, как правило, отжигаются, желательно под вакуумом, чтобы временно повысить испарение всех материалов и выпарить их. После того, как большая часть испаряющихся материалов выпарена и удалена, система может быть охлаждена, для уменьшения парения материалов и минимизации остаточного газовыделения во время рабочей эксплуатации. Некоторые системы охлаждают существенно ниже комнатной температуры с помощью жидкого азота для полного прекращения остаточного газовыделения и одновременно создания эффекта криогенной откачки системы.

Откачка и атмосферное давление

Газы вообще нельзя вытолкнуть, поэтому вакуум не может быть создан всасыванием. Всасывание может распространить и разбавить вакуум, позволяя высокому давлению вводить в него газы, но, прежде чем всасывание может произойти, необходимо вакуум создать. Самый простой способ создать искусственный вакуум - расширить объем камеры. Например, мышца диафрагмы расширяет грудную полость, что приводит к увеличению объема легких. Это расширение уменьшает давление и создает низкий вакуум, который вскоре заполняется воздухом, нагнетаемым атмосферным давлением.

Чтобы продолжать опустошение камеры бесконечно, не используя постоянно её увеличение, вакуумирующий её отсек может быть закрыт, продут, расширен снова, и так много раз. Это принцип работы насосов с принудительным вытеснением (газопереносных), например, ручной водяной насос. Внутри насоса механизм расширяет небольшую герметичную полость для создания вакуума. Из-за перепада давления часть жидкости из камеры (или колодца, в нашем примере) вталкивается в маленькую полость насоса. Затем полость насоса герметично закрывается от камеры, открывается в атмосферу и сжимается до минимального размера, выталкивая жидкость.

Приведенное выше объяснение представляет собой простое введение в вакуумирование и не является типичным для всего диапазона используемых насосов. Разработаны много вариаций насосов с принудительным вытеснением, и множество конструкций насосов основаны на радикально других принципах. Насосы передачи импульса, которые имеют некоторое сходство с динамическими насосами, используемыми при более высоких давлениях, могут обеспечить намного более высокое качество вакуума, чем насосы с принудительным вытеснением. Газосвязывающие насосы способные захватывать газы в твердом или поглощенном состоянии, работают часто без движущихся частей, без уплотнений и без вибрации. Ни один из этих насосов не является универсальным; каждый тип имеет серьезные ограничения применения. У всех есть трудности с откачкой газов с малой массой молекул, особенно водорода, гелия и неона.

Государство