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 вакуума, 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 исчезновение 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 в вакууме, которые предсказывались учеными-теоретиками, уже были подтверждены экспериментально. Есть среди гипотез и такие, проверка 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 взрыва.

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.

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 .

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

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.

Вакуум (англ. vacuum , нем. Vakuum , от лат. vacuus - пустой) - многозначный физический термин, который в зависимости от контекста может означать:

• Разреженный состояние газа. Такой вакуум называют частичным . Различают высокий, средний и низкий вакуум. Высоким называется вакуум, при котором длина свободного пробега молекул газа превышает линейные размеры сосуда, в котором содержится газ; если свободный пробег молекул газа и линейные размеры сосуда соизмеримыми величинами, то вакуум называется средним , а если свободный пробег молекул газа меньше линейные размеры сосуда - низким .

• Идеализированная абстакция, пространство, в котором нет совсем вещества. Такой вакуум называют идеальным.
• Физическая система без частиц и квантов поля. Это самый низкий состояние квантовой системы, при котором ее энергия минимальна, называемый вакуумным состоянием. Согласно принципу неопределенности для такого вакуума определенная часть физических величин не может быть точно определенной.

Частичный вакуум с изобретением ламп накаливания и вакуумных ламп в начале XX века стал широко использоваться в промышленности. В вакууме проводится значительное количество физических экспериментов: отсутствие воздуха или атмосферы другого состава дозовляе уменьшить нежелательные посторонние воздействия на объект исследования. Интерес к изучению вакуума увеличился после выхода человека в космос. Околоземное и межпланетное пространство является очень разреженным газом, который можно характеризовать как вакуум.

Исследования вакуума начались с создания «торричеллиевои пустоты» (ru) итальянским физиком Эванджелиста Торричелли в середине 17 века.

Технический вакуум

Техническим называют частичный вакуум, образовавшийся в земных условиях. Совокупность инструментов, используемых пр этом называют вакуумной техникой. Главное место среди орудий вакуумной техники занимают насосы различной конструкции и принципа действия.

Основным инструментом для создания низкого вакуума является объемный насос. Принцип его действия заключается в циклическом увеличении и уменьшении объема газа в сосуде. Во время фазы увеличения объема, всасывания, газ в сосуде расширяется, заполняя дополнительный объем, который затем отсекается и выбрасывается.

Создание высокого и сверхвысокого вакуума является сложной технической проблемой. Когда молекул газа в вакуумной камере мало, возникают проблемы, связанные с загрязнением камеры молекулами масла, недостаточной плотности прокладок, дегазации стенок сосуда, тому подобное.

Для получения высокого вакуума используют диффузионные насосы. Принцип действия насосов этого типа основывается на том, что молекулы газа не диффундируют против течения. Поэтому диффузионные насосы используют струю для вытягивания молекул газа из вакуумной камеры.

Насосы-ловители позволяют достичь еще более высокого вакуума. Их действие может базироваться на различных физических и химических принципах: криогенные насосы используют низкую температуру, для конденсации газа в сосуде, в химических насосах молекулы газа связываются химическими веществами или адсорбируют на поверхности, в ионизационных насосах газ в вакуумной камере йонизуеться и извлекается с помощью сильных электрических полей.

Реальные вакуумные установки состоят из комбинации насосов различного типа, каждый из которых выполняет свою задачу и работает при разной степени разрежения газа в вакуумной камере. К инструментам вакуумной техники относятся также различные измерительные приборы, используемые для определения качества созданного вакуума.

Физический вакуум

Физическим вакуумом называют идеализированное понятие пространства, в котором нет частиц. Экспериментально такого состояния достичь невозможно, отдельные атомы и ионы есть даже в чрезвычайно разреженной межгалактическом пространстве. Абстрактное понятие физического вакуума используется, например, для определения скорости света, как скорости распространения электромагнитного взаимодействия в пустоте без частиц.

Хотя может показаться, что пустое пространство является простейшей физической системой, в действительности это не так. Развитие квантовой механики показал, что вакуум является сложным физическим объектом, свойства которого еще не совсем понятны.

Во-первых, вакуум, пожалуй, заполненный нулевыми колебаниями электромагнитного поля. квантами электромагнитного поля являются фотоны, частицы принадлежащих к бозонов. Волновые функции бозонов в низком состоянии не равны нулю. При квантовании поля бозонов, они рассматриваются как гармонические осцилляторы. В основном состоянии бозоны имеют не только отличную от нуля волновую функцию, но и ненулевую энергию. Так, вакуум заполнен нулевыми колебаниями различных мод электромагнитного и других бозонних полей со всеми возможными волновыми векторами, направлениями прозповсюдження и поляризациями. Каждая из этих мод имеет энергию, где - сводная постоянная Планка, а? - циклическая частота. Это порождает проблему энергии вакуума, поскольку таких мод бесконечно много, и суммарная энергия вакуума должна быть бесконечной. Однако, физические эксперименты, в частности Лэмб смещение и эффект Казимира свидетельствуют о том, что нулевые колебания электромагнитного поля - реальность, и, что они могут взаимодействовать с другими физическими объектами.

Другая идея, которая еще больше осложняет понимание вакуума, связанная с уравнением Дирака, описывающее релятивистскую квантовую частицу, в частности электрон.Уравнение Дирака для свободного электрона имеет четыре развязки, два из них с отрицательной энергией. Поль Дирак показал, что с помощью операции зарядового сопряжения эти развязки можно трактовать, как развязки с положительной энергией, но для частицы с противоположным, положительным, зарядом, т.е. античастицы электрона. Такая античастица была обнаружена экспериментально и получила название позитрона.

Трактовка Дирака похоже на терии полупроводников, Частицы, электроны, аналогичные электронам проводимости, тогда как античастицы, позитроны, аналогичные дырками.В основном состоянии, соответствующем вакуума, все энергетические состояния с отрицательной энергией, заполнены, а позитрон соответствует незаполненном состоянию.

При рассмотрении взаимодействий между частицами в квантовой электродинамике часто необходимо учитывать возможность образования из вакуума виртуальных электрон-позитронных пар.