Что такое физический вакуум простыми словами. Из чего состоит вакуум. Смотреть что такое "Физический вакуум" в других словарях
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.
Теперь, когда мы выяснили, что вместо потенциальной энергии работает энергия гравитационного поля, а вместо кинетической энергии существует энергия физического вакуума, настало время разобраться с этими понятиями: вакуумом и полем. А также необходимо понять, как именно вакуум и поле взаимодействуют с веществом. Потому что лишь после выяснения главных особенностей взаимодействия этих трёх субстанций друг с другом можно надеяться, что нам удастся разработать промышленные технологии свободной энергетики. Начнём с вакуума.
В науке под словом «вакуум» понимают две совершенно разные вещи. И чтобы не путаться в понятиях, часто добавляют то или иное прилагательное. Технический вакуум - это отсутствие воздуха или его пониженное давление. Физический вакуум - это своеобразный фундамент, на котором покоится и эволюционирует Вселенная. В настоящей статье под «вакуумом» будет подразумеваться всегда второе понятие, хотя добавление «физический» может часто опускаться. Дать абсолютно точное исчерпывающее понятие физвакууму в принципе невозможно, потому что физвакуум - это некий аналог материи. Но можно постараться определить эту субстанцию через его свойства. Я делаю это следующим образом: физвакуум - это особая среда, формирующая пространство Вселенной, имеющая огромную энергию, участвующая во всех процессах и видимым проявлением которой является наш материальный мир, но она не видима нами по причине отсутствия у нас нужных органов чувств и потому кажется нам пустотой. У тех физиков, кто занимается квантовой механикой и элементарными частицами, никаких сомнений в реальности физвакуума нет, так как его существование подтверждается такими хорошо известными явлениями, как эффект Казимира, эффект Лэмба, уменьшение эффективного заряда быстро движущегося электрона, квантовое испарение чёрных дыр и т.д. Официально считается, что физвакуум обладает минимально возможной энергией, поэтому извлечь из него энергию и преобразовать её в полезную работу невозможно. Однако при этом не учитывается, что в физвакууме всегда имеют место флуктуации, энергия которых оказывается намного выше среднего уровня. Вот за счёт этих флуктуаций мы сможем превратить вакуум в источник неограниченной энергии. Также официально считается, что физвакуум проявляет себя лишь на уровне микромира, а на уровне макромира он себя проявить не может. Однако эффект Казимира и предсказанное Стивеном Хокингом испарение чёрных дыр свидетельствуют об обратном.
Моё мнение по этому поводу следующее: все теоретические споры о формах и возможностях проявления физвакуума следует отложить на будущее, когда мы будем разбираться в этих вопросах намного лучше, а сегодня необходимо исходить только из фактов. Факты же показывают, что энергию извлекать из вакуума можно (см. предыдущую статью «Парадоксы энергии»). Но если продолжать оставаться на официальных позициях о невозможности извлечения энергии, тогда для объяснения приведённых в предыдущей статье энергетических парадоксов придётся идти на нарушение закона сохранения энергии. При этом оказывается, что физвакуум работает на всех мыслимых уровнях: микроуровне (элементарные частицы), макроуровне (наши железки и аппараты) и мегауровне (планеты, звёзды, галактики).
К сожалению, идея физического вакуума используется в основном в квантовой механике и теории элементарных частиц, а также немного в астрофизике, но в других разделах физики она почти не известна. По этой причине многие физические феномены остаются необъяснёнными или объясняются совершенно неправильно. Например, инерция. Что такое инерция - до сих пор не ясно. И ни в одном справочнике или учебнике физики мы не найдём определения данному явлению. Более того, существование инерции вступает в противоречие с третьим законом механики (действие равно противодействию). Согласно этому закону, когда некий объект действует на другой с некоторой силой, всегда возникает новая сила, направленная противоположно от второго объекта к первому: сила тяжести лежащего на основании предмета и противоположно направленная сила реакции основания, сила притяжения электрона к источнику электромагнитного поля и противоположно направленная сила притяжения поля к электрону и т.д. А вот для инерции такой противосилы не существует. Когда автобус резко тормозит, возникает сила инерции и мы под её действием падаем вперёд, но при этом никакой противосилы найти не удаётся. По этой причине иногда инерционные силы пытаются объявить иллюзорными, фиктивными. Однако если сторонник такой точки зрения в резко тормознувшем автобусе набьёт себе большую шишку на голове, насколько эта шишка будет иллюзорна и фиктивна?
Если же предположить, что инерция является сопротивлением физического вакуума, все противоречия и неясности исчезают. Можно предложить хорошую аналогию между инерцией и сопротивлением корабля в воде. Когда корабль рассекает водную среду, он деформирует её и заставляет отдельные объёмы воды двигаться в сторону, то есть прилагает к этим объёмам вполне определённую силу. Как следствие, возникает противосила, которая стремится остановить корабль, чтобы исключить всякую деформацию водной среды. Мы наблюдаем эту противосилу в форме трения. При этом неважно, как именно движется корабль - ускоренно, равномерно, замедленно - но отбрасываемый им в сторону объём воды движется всегда ускоренно, поэтому работа над ним всегда производится и сила сопротивления возникает всегда в полном соответствии с законами механики.
Очень похожая картина возникает при инерции. Когда мы сидим в автомобиле и давим на педаль газа, мы движемся ускоренно и деформируем физвакуум своим неравномерным движением. А он в ответ создаёт силы противодействия в форме инерции, которые тянут нас назад, чтобы нас остановить и тем самым исключить вносимую в вакуум деформацию. Для преодоления сопротивления вакуума приходится выполнять значительную работу, что проявляется в повышенном расходе топлива. Последующее равномерное движение не деформирует физвакуум и он сопротивления не оказывает, поэтому расход топлива оказывается заметно ниже. Торможение автомобиля снова деформирует вакуум и он снова создает силы сопротивления в форме инерции, которые тянут нас вперёд, чтобы оставить в состоянии равномерного прямолинейного движения и тем самым исключить появление новой деформации. Но на этот раз уже не мы совершаем работу над вакуумом, а он над нами и отдаёт нам свою энергию, которая выделяется в форме тепла в тормозных колодках автомобиля.
Однако есть и отличия между сопротивлением корабля в воде и появлением инерции в ускоряющемся автомобиле. Вода не может пройти сквозь корпус корабля и потому она всегда отбрасывается кораблем в сторону. Следовательно, и трение корабля в воде существует также всегда. А вот физвакуум корпусом автомобиля в сторону не отбрасывается, а свободно проходит сквозь него, поэтому взаимодействовать с содержимым автомобиля может лишь при его неравномерном движении.
Такое ускоренно-равномерно-замедленное движение автомобиля является не чем иным, как единичным тактом колебательного движения большой амплитуды и низкой частоты. На стадии ускорения предмета над вакуумом производится работа и ему передаётся некоторая энергия Е1. На стадии замедления уже вакуум производит работу над предметом и отдаёт ему энергию Е2. Одинаковы ли эти энергии? Если вакуум не обладает собственной энергией, то одинаковы. Но так как он обладает собственным громаднейшим потенциалом, отданная энергия Е2 может оказаться больше принятой энергии Е1. Насколько больше - зависит от условий ускорения и торможения. Подбирая правильные условия, мы может добиться того, чтобы вторая энергия оказалась намного больше первой. И тогда мы получаем возможность построить самый настоящий вечный двигатель 2го рода на вакуумной энергии. В статье "Парадоксы энергии" я писал об этом, приводя примеры столкновения болванки с мишенью.
Движение по окружности также является неравномерным. Хотя численное значение скорости при таком движении может не меняться, зато постоянно меняется положение вектора скорости в пространстве. По этой причине вращательное движение предмета также деформирует физвакуум, а он в ответ реагирует на это созданием центробежной силы, которая всегда направлена так, чтобы распрямить траекторию вращения и сделать её прямолинейной, в этом случае всякая деформация исчезает. По третьему закону механики не только физвакуум действует на вращающийся предмет центробежной силой, но и предмет действует на вакуум центростремительной силой. Под действием центростремительных сил вакуум устремляется с периферии предмета к его оси вращения, здесь отдельные потоки сталкиваются друг с другом, разворачиваются на 90 градусов (разворачиваются по той же самой причиной, почему разворачиваются две сталкивающиеся водные струи) и вылетают вдоль оси вращения с обеих сторон. Но если предмет вращается равномерно, не меняя своей скорости, тогда эти вылетающие из него вакуумные потоки также движутся почти равномерно. И потому практически не взаимодействуют с материальными объектами. Хотя из-за наличия окружающей вакуумной среды эти потоки слегка тормозятся и потому некоторое взаимодействие всё же происходит, но оно настолько слабо, что обнаружить его можно лишь сверхчувствительными приборами. Например, с помощью так называемой вертушки Лебедева, представляющей из себя лёгкую турбинку с лопастями, одна сторона которых выполнена зеркальной, а другая окрашена в чёрный цвет.
В прошлом физвакуум называли эфиром. Считалось, что эфир отвечает за распространение световых волн. Однако как ни пытались американские физики Майкельсон и Морли зафиксировать наличие эфира в своих экспериментах, успеха они не добились. На основании отрицательного результата данного эксперимента учёные того времени объявили эфир не существующим, а Альберт Эйнштейн создал свою специальную теорию относительности (СТО). Но когда через десять лет он приступил к созданию общей теории относительности (ОТО), он снова заговорил об эфире. Однако джин уже был выпущен из бутылки и общее мнение об отсутствии эфира осталось непоколебленным.
Тем не менее, нашлись еретики от науки, которые не согласились с общим мнением и продолжали считать эфир реально существующим. Одним из них был знаменитый физик и инженер Никола Тесла. Во всех своих построениях и гипотезах он исходил из идеи эфира. Этим и объясняются его невероятные успехи, многие из которых даже сегодня никто повторить не может. Другим еретиком был английский физик Поль Дирак, который математически обосновал идею некой всепроникающей среды, ответственной за рождение элементарных частиц, и существование которой следовало с железной необходимостью из некоторых эффектов квантовой физики. За что впоследствии он был удостоен Нобелевской премии и перестал считаться еретиком. Но так как старое название «эфир» было скомпрометировано, пришлось искать новое название. Вот так и появилось понятие физического вакуума. Если сегодня спросить об эфире и физвакууме учёного, полностью стоящего на официальных позициях, он ответит, что эфира не бывает, зато физвакуум существует.
Но обратим внимание вот на какую вещь: в самом общем смысле эфир и физвакуум являются одним и тем же. Действительно, что такое эфир? Это некая всепроникающая среда, которая отвечает за распространение световых волн. А что такое физвакуум? Это некая всепроникающая среда, которая отвечает за рождение элементарных частиц. И в том, и в другом случае наиболее общим в данных определениях является постулирование всепроникающей среды. А распространение света и рождение элементарных частиц - это уже свойства данной среды. Маловероятно, что имеются две совершенно разных всепроникающих среды, имеющих разные свойства. Для меня это равносильно заявлению, что существуют две совершенно разных разновидности железа, одна из которых отвечает только за свойства теплопроводности, а другая - только за свойства упругости. Более вероятным кажется ситуация, когда эта всепроникающая среда отвечает и за перенос световых лучей, и за рождение элементарных частиц, и за многое иное.
Но почему же Майкельсон и Морли потерпели неудачу в своих попытках фиксации эфира? Ответ оказывается элементарно прост. Потому что в полном соответствии с законами физики эфир лишь тогда взаимодействует с материальными предметами и потому поддаётся обнаружению (точнее, не с самим предметами, а с создаваемыми ими полями), когда его движение относительно предметов является неравномерным. Но при равномерном движении или его отсутствии взаимодействия не происходит и физвакуум оказывается принципиально не наблюдаем. В эксперименте Майкельсона-Морли измерительная установка покоилась относительно планеты. А эфир или физвакуум, обладая определённой массой и гравитацией, притягивается к Земле и создаёт вокруг неё оболочку повышенной плотности, которая перемещается в пространстве вместе с планетой как единое целое. То есть эта оболочка также оказывается неподвижной относительно планеты. Иными словами, эфир и измерительная установка у американских физиков были неподвижны относительно друг друга. Естественно, что они потерпели неудачу в своих попытках.
Для того чтобы зафиксировать наличие эфира, надо либо сам эфир заставить двигаться неравномерно относительно измерительной установки, либо установку двигать неравномерно относительно неподвижного эфира. И такой опыт проделал французский физик Саньяк в 1912 году. Его установка состояла из четырёх зеркал, установленных в углах правильного квадрата, причём вся эта конструкция вращалась с некоторой скоростью v. Предполагалось, что для луча света, движущегося в направлении вращения, скорость будет составлять c = c0+v, а для луча, летящего в противоположном направлении, она окажется равной c = c0-v. И эти лучи при сложении нарисуют нужную интерференционную картинку. Саньяк всегда получал устойчивый положительный результат. Если бы этот эксперимент был выполнен до того, как Майкельсон и Морли приступили к своим опытам, он мог бы служить блестящим доказательством в пользу существования эфира. Но он был выполнен намного позже, когда физики в массе своей уверовали, будто эфира не бывает. Поэтому Саньяк признания у физиков не нашёл. А через два года разразилась мировая война и внимание общественности переключилось на иные проблемы. В итоге о результатах Саньяка просто забыли.
Какова внутренняя структура эфира-физвакуума, из чего он состоит? Ещё до второй мировой войны физики проделали такой опыт. Они пропускали гамма-кванты через тонкую свинцовую мишень и замеряли рассеяние квантов на атомах свинца. В большинстве случаев гамма-излучение отклонялось атомами в стороны, но иногда физики фиксировали вылет из мишени пары электрон+позитрон. Наличие электрона можно было объяснить его выбиванием из атома свинца. Но откуда брался позитрон, ведь в атомах его нет? Этот эффект тогда объяснили через преобразование гамма-излучения в пару частица-античастица. Сегодня мы можем дать иное более правильное объяснение: из-за высокой плотности свинца (и значит, повышенной напряженности создаваемой мишенью собственного гравитационного поля) физвакуум стягивается внутрь мишени и здесь его плотность становится выше, чем в окружающем пространстве, а потому растёт вероятность взаимодействия гамма-излучения с квантами вакуума. Взаимодействуя с вакуумом, гамма-излучение разбивает его кванты на осколки, которые мы воспринимаем в форме частицы и античастицы. Поэтому можно сказать так: мы не знаем в точности, из чего состоит физвакуум или эфир, но чисто условно можно представлять его структуру, как вложенные друг в друга частицы и античастицы. А от такого представления остаётся всего один шаг до постановки простого эксперимента по обнаружению эфира и постройки генератора, извлекающего из эфира энергию.
Может оказаться, что феномен «тёмной материи», о котором сегодня спорят астрофизики, также обусловлен эфиром-физвакуумом. По крайней мере, чисто теоретически получается, что похожий эффект должен иметь место. Когда эфир-физвакуум стягивается к космическому объекту его гравитацией, здесь он образует оболочку повышенной плотности, а вдали от объекта плотность физвакуума становится несколько меньше. Происходит то, что я называю возникновением мегафлуктуации вакуума. Как следствие, отдаленные предметы (планеты вокруг Солнца или галактические рукава вокруг галактического центра) начинают притягиваться к центральному объекту не только его собственной гравитацией, но также гравитацией созданной мегафлуктуации. Внешне это будет проявляться как возникновение дополнительной невидимой массы. И в Солнечной системе подобный эффект, похоже, действует. Я имею в виду аномально высокое торможение американских космических аппаратов «Пионер» и «Вояджер», которые, начиная с пересечения орбиты Нептуна, вдруг стали тормозиться заметно сильнее, чем это допускалось расчётами. Если такое торможение обусловлено утечками топлива или иной чисто технической причиной, тогда торможение было бы различным для разных аппаратов. Но оно одинаково для всех. Следовательно, оно обусловлено некоторой внешней причиной, не связанной с самим аппаратами. Если эфирная мегафлуктуация Солнца кончается на уровне орбиты Нептуна, тогда выйдя за её пределы, американские аппараты стали притягиваться к Солнцу не только его массой, но также массой данной мегафлуктуации.
Нам осталось совсем немного - выяснить, что же такое гравитационное поле? Моя гипотеза такова: любое поле - это та или иная разновидность деформации физвакуума. Если физвакуум состоит из некоторых квантов (вложенные друг в друга частица+античастица), то вполне вероятно, что эти кванты затем соединяются в нити, составляющие пространство. А любую нить можно деформировать четырьмя различными способами: 1)нить можно растянуть, создав продольную деформацию; 2)нить можно изогнуть, создав поперечную деформацию; 3)нить можно закрутить, создав крутильную деформацию; 4)можно изменить взаимное расположение составляющих квантов, не изменяя положение нити в целом. Поперечной деформации должно соответствовать электромагнитное поле (вспомним, что такое электромагнитное излучение - это волна, которая колеблется в поперечном к вектору скорости направлении). Крутильной деформации должно соответствовать новое, так называемое торсионное поле, вокруг которого в последнее время идут жаркие баталии. И тогда продольной деформации должно соответствовать гравитационное поле. А четвертому виду деформации должны соответствовать резонансные колебания. Если я прав в своих предположениях, тогда существуют четыре основных способа извлечения энергии из физвакуума, соответствующие четырём основным видам деформации через три поля и резонанс. Обо всех этих способах я буду писать по отдельной статье.
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.
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.
Молекул газа λ и характерным размером среды d . Под d может приниматься расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода и т. д. В зависимости от величины соотношения λ/d различают низкий (), средний () и высокий () вакуум.
Следует различать понятия физического вакуума и технического вакуума .
На практике сильно разреженный газ называют техническим вакуумом . В макроскопических объёмах идеальный вакуум недостижим на практике, поскольку при конечной температуре все материалы обладают ненулевой плотностью насыщенных паров. Кроме того, многие материалы (в том числе толстые металлические, стеклянные и иные стенки сосудов) пропускают газы. В микроскопических объёмах, однако, достижение идеального вакуума в принципе возможно.
Мерой степени разрежения вакуума служит длина свободного пробега молекул газа , связанной с их взаимными столкновениями в газе, и характерного линейного размера сосуда, в котором находится газ.
Строго говоря, техническим вакуумом называют газ в сосуде или трубопроводе с давлением ниже, чем в окружающей атмосфере. Согласно другому определению, когда молекулы или атомы газа перестают сталкиваться друг с другом, и газодинамические свойства сменяются вязкостными (при давлении около 1 торр ) говорят о достижении низкого вакуума () (10 16 молекул на 1 см³ ). Обычно между атмосферным воздухом и высоковакуумным насосом стоит так называемый форвакуумный насос, создавая предварительное разрежение, поэтому низкий вакуум часто называют форвакуум . При дальнейшем понижении давления в камере увеличивается средняя длина свободного пробега λ молекул газа. При молекулы газа гораздо чаще сталкиваются со стенками, чем друг с другом. В этом случае говорят о высоком вакууме (10 −5 торр ) (10 11 молекул на 1 см³ ). Сверхвысокий вакуум соответствует давлению 10 −9 торр и ниже. В сверхвысоком вакууме, например, обычно проводятся эксперименты с использованием сканирующего туннельного микроскопа . Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже, в дальнем же космосе и вовсе может достигать 10 −16 торр и ниже (1 молекула на 1 см³ ).
Высокий вакуум в микроскопических порах некоторых кристаллов достигается уже при атмосферном давлении, поскольку диаметр поры гораздо меньше длины свободного пробега молекулы.
Аппараты, используемые для достижения и поддержания вакуума, называются вакуумными насосами . Для поглощения газов и создания необходимой степени вакуума используются геттеры . Более широкий термин вакуумная техника включает также приборы для измерения и контроля вакуума, манипулирования предметами и проведения технологических операций в вакуумной камере и т. д. Высоковакуумные насосы являются сложными техническими приборами. Основные типы высоковакуумных насосов - это диффузионные насосы, основанные на увлечении молекул остаточных газов потоком рабочего газа, геттерные, ионизационные насосы, основанные на внедрении молекул газа в геттеры (например титан) и криосорбционные насосы (в основном для создания форвакуума).
Стоит отметить, что даже в идеальном вакууме при конечной температуре всегда имеется некоторое тепловое излучение (газ фотонов). Таким образом, тело, помещённое в идеальный вакуум, рано или поздно придёт в тепловое равновесие со стенками вакуумной камеры за счёт обмена тепловыми фотонами.
Вакуум является хорошим термоизолятором; перенос тепловой энергии в нём происходит лишь за счёт теплового излучения, конвекция и теплопроводность исключены. Это свойство используется для теплоизоляции в термосах (сосудах Дьюара), состоящих из ёмкости с двойными стенками, пространство между которыми вакуумированно.
Вакуум широко применяется в электровакуумных приборах - радиолампах (например, магнетронах микроволновых печей), электронно-лучевых трубках и т. п.
Физический вакуум
Под физическим вакуумом в квантовой физике понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. При этом такое состояние вовсе не обязательно соответствует пустоте: поле в низшем состоянии может быть, например, полем квазичастиц в твёрдом теле или даже в ядре атома, где плотность чрезвычайно высока. Физическим вакуумом называют также полностью лишённое вещества пространство, заполненное полем в таком состоянии. Такое состояние не является абсолютной пустотой . Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости , в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы : происходят так называемые нулевые колебания полей. В некоторых конкретных теориях поля вакуум может обладать нетривиальными топологическими свойствами. В теории могут существовать несколько различных вакуумов, различающихся плотностью энергии или другими физическими параметрами (в зависимости от применяемых гипотез и теорий). Вырождение вакуума при спонтанном нарушении симметрии приводит к существованию непрерывного спектра вакуумных состояний, отличающихся друг от друга числом голдстоуновских бозонов. Локальные минимумы энергии при разных значениях какого-либо поля, отличающиеся по энергии от глобального минимума, носят название ложных вакуумов ; такие состояния метастабильны и стремятся распасться с выделением энергии, перейдя в истинный вакуум или в один из нижележащих ложных вакуумов.
Некоторые из этих предсказаний теории поля уже были успешно подтверждены экспериментом. Так, эффект Казимира и лэмбовский сдвиг атомных уровней объясняется нулевыми колебаниями электромагнитного поля в физическом вакууме. На некоторых других представлениях о вакууме базируются современные физические теории. Например, существование нескольких вакуумных состояний (упомянутых выше ложных вакуумов) является одной из главных основ инфляционной теории Большого взрыва .
См. также
- Диэлектрическая проницаемость вакуума
- Вакуумное среднее
- Вакуумный конденсат
Применения:
Примечания
Литература
- L. B. Okun On the concepts of vacuum and mass and the search for higgs (англ.) // Modern Physics Letters A . - 2012. - Vol. 27. - P. 1230041. - DOI :10.1142/S0217732312300418 - arΧiv :1212.1031
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :Смотреть что такое "Вакуум" в других словарях:
Первая часть сложных слов. Обозначает отнесённость к вакууму, пространству с выкачанным воздухом; вакуумный. Вакуум аппарат, вакуум камера, вакуум измерительный, вакуум костюм, вакуум насос, вакуум процесс, вакуум установка, вакуум фильтр, вакуум … Энциклопедический словарь
- (лат., от vacare делать пустым). Пустое безвоздушное пространство. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ВАКУУМ безвоздушное пространство. В. аппарат котел, в котором вываривают, под безвоздушным… …
ВАКУУМ, область чрезвычайно низкого давления. В межзвездном пространстве царит высокий вакуум, со средней плотностью менее 1 молекулы на кубический сантиметр. Самый разреженный вакуум, созданный человеком, менее 100000 молекул на кубический… … Научно-технический энциклопедический словарь
Вакуум... вакуум... (… Словарь иностранных слов русского языка
Разрежение, пустота; пустое пространство, форвакуум, монжюс, отсутствие, недостаток Словарь русских синонимов. вакуум см. пустота Словарь синонимов русского языка. Практический справочник. М.: Русский язык. З. Е. Александрова … Словарь синонимов
вакуум - Состояние среды, абсолютное давление которой меньше атмосферного [ГОСТ 5197 85] вакуум Состояние жидкости, характеризующееся отрицательным избыточным давлением. [СО 34.21.308 2005] вакуум разрежение Давление газа ниже атмосферного. Примечание… … Справочник технического переводчика
- (от латинского vacuum пустота), состояние газа при давлениях p, более низких, чем атмосферное. Различают низкий вакуум (например, в вакуумных приборах), которому соответствует область давлений p>1 мм ртутного столба; средний: 10 3 мм ртутного… … Современная энциклопедия
- (от лат. vacuum пустота) состояние газа при давлениях p, более низких, чем атмосферное. Различают низкий вакуум (в вакуумных приборах и установках ему соответствует область давлений p выше 100 Па), средний (0,1 Па p 100 Па), высокий (10 5 Па p… … Большой Энциклопедический словарь
ВАКУУМ: ВАКУУМ... и ВАКУУМ... Первая часть сложных слов со знач. относящийся к вакууму (в 1 знач.), напр. вакуумметр, вакуум аппарат, вакуумкамера. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова