Вакуум

Насос для демонстрации вакуума

Ва́куум (от лат. vacuum — пустота) — пространство, свободное от вещества. В технике и прикладной физике под вакуумом понимают среду, содержащую газ при давлении значительно ниже атмосферного. Вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного пробега 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 ($\lambda /d \ll 1$), средний ($\lambda /d \sim 1$) и высокий ($\lambda /d \gg 1$) вакуум.

Технический вакуум

Турбомолекулярный насос в разрезе.

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 $< \lambda >$, связанной с их взаимными столкновениями в газе, и характерного линейного размера $l$ 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 ($\lambda << d$) (10¹⁶ 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 $\lambda /d \gg 1$ молекулы газа гораздо чаще сталкиваются со стенками, чем друг с другом. В этом случае говорят о высоком вакууме (10⁻⁵ торр) (10¹¹ 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.

Ложный вакуум

Скалярное поле φ в состоянии ложного вакуума. Энергия E выше, чем в состоянии истинного вакуума (основное состояние), но потенциальный барьер препятствует переходу поля. Таким образом, переход возможен лишь при высокой энергии поля или путём квантовомеханического туннелирования

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

$G_{\mu\nu} + \Lambda g_{\mu\nu} = {8 \pi G \over c^4} T_{\mu\nu},$

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)

История изучения вакуума

Ртутный вакуумный барометр Эванджелисты Торричелли — учёного, впервые создавшего вакуум в лаборатории. Над поверхностью ртути в верхней части запаянной трубки — «торричеллиева пустота» (вакуум, содержащий пары ртути под давлением насыщения при данной температуре).

Идея вакуума (пустоты) была предметов 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).

Напротив, Аристотель (384—322 гг. до н. э.) и ряд других философов считали, что «природа не терпит пустоты». Концепция «боязни пустоты» (horror vacui), зародившаяся ещё до Аристотеля, у Эмпедокла (ок. 490—430 гг. до н. э.) и других философов ионийской школы, в философской мысли Средневековой Европы стала доминирующей и приобрела религиозно-мистические черты.

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. До нашего времени сохранился рисунок пожарного насоса, изобретённого «отцом пневматики» Ктезибием (ок. 150 г. до н. э.). Водяные насосы такого типа были фактически прообразами вакуумного поршневого насоса, появившегося спустя почти два тысячелетия. Ученик Ктезибия, Герон Александрийский, разработал поршневой шприц для вытягивания гноя, тоже являющийся по существу вакуумным устройством.

Эмпирическое изучение вакуума началось лишь в XVII 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. Например, в трактате Георгия Агриколы (1494—1555) «О горном деле» приведено изображение цепочки водяных насосов для откачки воды из шахты.

Галилей в своих «Беседах и математических доказательствах двух новых наук» (1638), книге, которая завершила разгром аристотелевской физики, указывал, ссылаясь на практику, что высота, до которой всасывающие насосы поднимают воду, всегда одна и та же — около 18 локтей. В этой книге он, в частности, описывает фактически вакуумный прибор с поршнем, необходимый для сравнения сопротивления на разрыв воды и твёрдого тела, хотя и объясняет сопротивление растяжению, характерное для твёрдых тел и жидкостей, боязнью пустоты, предполагая существование между частицами вещества мельчайших пустых пор, расширяющихся при растяжении.

Под влиянием трактата Галилея, где указывалось на ограниченность «боязни пустоты», в 1639—1643 гг. Гаспаро Берти на фасаде своего дома в Риме соорудил устройство (в более поздней терминологии, барометрическую водяную трубу), которое можно считать первой установкой для физического исследования вакуума. В верхней, стеклянной закрытой части трубы высотой более 10 м, над водяным столбом, уравновешенным атмосферным давлением, обнаруживалось пустое пространство (на самом деле оно было заполнено водяными парами под давлением, равным упругости паров воды при температуре окружающей среды, а также выделившимся из воды растворённым воздухом, то есть давление в полости составляло около 0,1 атмосферы). Эмануэль Маньяно закрепил в этой полости колокольчик и молоток. Воздействуя на молоток магнитом, он ударял молотком по колокольчику. В результате этого первого в истории эксперимента в вакууме (точнее, в разреженном газе) было обнаружено, что звук колокольчика был приглушённым.

Учёный Рафаэло Маджотти (1597—1656) из Рима сообщил об опытах Берти и Маньяно ученику Галилея, флорентийцу Эванджелисте Торричелли. При этом Маджотти высказал мысль, что более плотная жидкость остановилась бы на более низком уровне. В 1644 году Торричелли (с помощью Винченцо Вивиани, другого ученика Галилея) сумел создать первую вакуумную камеру. Его работы, связанные с теориями атмосферного давления, послужили основой дополнительных экспериментальных методик. Вакуум по методу Торричелли (торричеллиева пустота) достигается путём наполнения ртутью длинной стеклянной трубки, запаянной с одного конца, а затем переворачиванием её таким образом, чтобы открытый конец трубки оказался под поверхностью ртути в более широком открытом сосуде. Ртуть будет вытекать из трубки, пока сила тяжести ртутного столба не будет скомпенсирована атмосферным давлением. В свободном от ртути пространстве в верхнем, запаянном конце трубки образуется вакуум. Этот метод лежит в основе работы ртутного барометра. При стандартном атмосферном давлении высота ртутного столба, уравновешенного атмосферным давлением, равна 760 мм.

Вакуумный насос фон Герике и Магдебургские полушария в Немецком музее в Мюнхене.

Около 1650 года немецкий учёный Отто фон Герике изобрёл первый вакуумный насос (поршневой цилиндр с водяным уплотнением), позволивший легко откачивать воздух из герметичных ёмкостей и экспериментировать с вакуумом. Насос, названный автором antlia pneumatica, был ещё очень далек от совершенства и требовал не менее трёх человек для манипуляций с поршнем и кранами, погруженными в воду, для лучшей изоляции образующейся пустоты от наружного воздуха. Однако с его помощью Герике сумел продемонстрировать многие свойства вакуума, в частности, поставив знаменитый опыт с Магдебурскими полушариями. Герике создал также водяной барометр, по принципу действия аналогичный ртутному барометру Торричелли, хотя из-за меньшей плотности воды по сравнению с ртутью высота водяного столба, уравновешивающего атмосферное давление, в 13,6 раз больше — около 10 метров. Герике впервые выяснил, что вакуум не проводит звук и что горение в нём прекращается.

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.

Измерение

Степень вакуума определяется количеством вещества, оставшемся 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 в помещении составляет примерно 100 мм.

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

См. также

• Диэлектрическая проницаемость вакуума
• Магнитная проницаемость вакуума
• Волновое сопротивление вакуума
• Поляризация вакуума
• Вакуумное среднее
• Вакуумный конденсат
• Эфир (физика)
• Теория струн
• Ничто

Применения:

• Вакуумная формовка
• Электровакуумные приборы (электронные лампы, кинескопы, магнетроны, фотоумножители и т. д.)

Литература

• Борисов В.П. Вакуум: от натурфилософии до диффузионного насоса. — М.: НПК «Интелвак», 2001.
• Научные основы вакуумной техники. — М., 1964.
• Грошковский Я. Техника высокого вакуума. — М., 1975.
• Основы вакуумной техники. 2-е изд. — М., 1981.
• Розанов Л. И. Вакуумная техника. 2-е изд. — М., 1990.
• 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
• Крамер Д. и др. Точные решения уравнений Эйнштейна. М.: Мир, 1982. — 416 с.
• Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теория поля. — Издание 7-е, исправленное. — М.: Наука, 1988. — 512 с. — («Теоретическая физика», том II). — ISBN 5-02-014420-7
• Паули В. Теория относительности. М.: Наука, 1991.