Слово «вакуум» у многих ассоциируется с пустотой — чем-то, где ничего нет. В реальности все сложнее. Технический вакуум есть в термосах и электроприборах. Космическое пространство наполнено излучением и частицами. В статье подробно рассказываем, что это за явление и где оно наблюдается.
Вакуумом называют пространство с давлением газа ниже атмосферного. Абсолютной пустоты не существует — даже в глубоком вакууме остаются частицы и поля.
Свойства вакуума зависят от степени разрежения: в нем не работают теплопроводность и конвекция, не распространяется звук, не горит огонь, жидкости закипают при низких температурах.
Космос часто называют вакуумом, но на самом деле он заполнен атомами водорода, реликтовым излучением, космическими лучами и виртуальными частицами квантовых полей.
Через вакуум распространяются электромагнитные волны (со скоростью света), гравитация (тоже со скоростью света) и потоки частиц высоких энергий.
Что такое вакуум и какими свойствами он обладает
Вакуумом называют среду, где давление газа значительно ниже атмосферного. Строгого определения у этого понятия нет — под вакуумом понимают целый диапазон состояний от слегка разреженного воздуха до почти полного отсутствия вещества. Латинское слово vacuum означает пустота, но абсолютной пустоты в природе не существует, и получить ее в лаборатории тоже невозможно.
Чтобы классифицировать разные степени разрежения, физики используют число Кнудсена — отношение длины свободного пробега молекулы к характерному размеру сосуда. Если молекулы чаще сталкиваются друг с другом, чем со стенками, говорят о низком вакууме. Когда длина свободного пробега становится больше размеров камеры, наступает высокий вакуум — молекулы «носятся» от стенки к стенке, практически не встречая соседей.
Границы между этими состояниями выглядят так:
Низкий вакуум — давление от атмосферного до примерно 1—25 мм рт. ст. В одном кубическом сантиметре при атмосферном давлении около 10^19 молекул, при нижней границе низкого вакуума — порядка 10^16.
Средний вакуум — давление падает до тысячной доли миллиметра.
Высокий вакуум — от тысячной (10^{-3}) до миллиардной (10^{-9}) доли мм рт. ст. Сверхвысокий — ниже 10^{-9} мм рт. ст., до 10^{-12} Па.
Свойства вакуума сильно отличаются от свойств обычного воздуха. В разреженной среде перестает работать теплопроводность и конвекция — тепло передается только излучением. Поэтому термос с двойными стенками, между которыми откачан воздух, часами сохраняет температуру напитка. Звук в вакуум не проходит: колебаниям просто не через что распространяться. Горение прекращается, поскольку для огня нужен кислород. Жидкости при низком давлении закипают при гораздо более низких температурах — вода может закипеть даже при комнатной температуре, если откачать воздух.
В физике есть еще одно, более глубокое понятие — физический вакуум. Так называют основное состояние квантованных полей, в котором нет реальных частиц, но постоянно рождаются и исчезают виртуальные. Это не пустота в привычном смысле, а кипящий котел квантовых флуктуаций. Именно эти флуктуации объясняют эффект Казимира — притяжение двух пластин в вакууме, и лэмбовский сдвиг уровней энергии в атоме.
В космологии и теории поля говорят также о ложном вакууме — состоянии с локальным минимумом энергии, которое может туннелировать в истинный вакуум, выделяя огромную энергию. На этой идее основана инфляционная теория Большого взрыва.
Есть ли вакуум в космосе
Космическое пространство часто называют вакуумом, но это не совсем точно. Абсолютной пустоты там нет. Даже в межзвездной среде на кубический сантиметр приходится несколько атомов водорода. В межгалактическом пространстве плотность еще ниже — примерно один атом на несколько кубических метров. Но это все же не ноль.
Земная атмосфера не заканчивается резко. С высотой она становится все более разреженной, постепенно переходя в космический вакуум. На высоте ста километров, которую считают границей космоса, давление падает до трех сотых паскаля — в триста тысяч раз ниже атмосферного. Спутники на низких орбитах все еще испытывают сопротивление воздуха и вынуждены периодически поднимать орбиту.
В дальнем космосе, помимо атомов водорода, есть и другие компоненты. Реликтовое излучение — фотоны, оставшиеся от ранней Вселенной, заполняют пространство с температурой около трех кельвинов. Есть там и потоки заряженных частиц от Солнца и других звезд, и космические лучи высоких энергий, и нейтрино, которые почти не взаимодействуют с веществом и пронизывают все насквозь.
Квантовая физика добавляет еще один слой сложности. Даже если убрать все частицы и поля, в пустом пространстве останутся нулевые колебания — виртуальные частицы непрерывно возникают и исчезают. С точки зрения квантовой теории поля, космос — это не пустота, а динамическая среда, где постоянно происходят микроскопические процессы.
Что распространяется в вакууме и с какой скоростью
Несмотря на отсутствие вещества, через вакуум могут передаваться разные виды энергии и взаимодействий.
Электромагнитные волны — свет, радиоволны, рентгеновское излучение — распространяются в вакууме без помех. Скорость света в пустоте — фундаментальная константа, почти 300 000 км/с. Именно благодаря этому свойству мы видим звезды и получаем сигналы от космических аппаратов.
Гравитационное поле тоже передается через вакуум. Общая теория относительности описывает гравитацию как искривление пространства-времени, и это искривление распространяется со скоростью света. Гравитационные волны, обнаруженные в 2015 году, идут от своих источников через пустоту, почти не ослабевая.
Потоки частиц высоких энергий — солнечный ветер, космические лучи — свободно летят в вакууме, пока не столкнутся с чем-нибудь материальным. Электроны, протоны, ядра атомов могут преодолевать гигантские расстояния, не теряя энергии.
А вот механические волны — звук, вибрации — в вакуум не проходят. Для их распространения нужна упругая среда, которой в пустоте нет. Поэтому в космосе царит абсолютная тишина, сколько бы взрывов ни происходило рядом.
Тепло в вакууме передается только излучением. Именно поэтому обращенная к Солнцу сторона космического корабля нагревается до сотен градусов, а теневая остается ледяной. Конвекция и теплопроводность в пустоте не работают.
История изучения вакуума
Идея пустоты волновала мыслителей еще в античности. Демокрит и его последователи считали, что мир состоит из атомов и пустоты между ними — без пустоты атомы не могли бы двигаться. Аристотель, напротив, утверждал, что природа не терпит пустоты, и его авторитет на полторы тысячи лет закрыл тему для серьезного обсуждения.
В Средние века арабский ученый Аль-Фараби проводил опыты с поршнями в воде и пришел к выводу, что воздух расширяется, заполняя пространство. Но идея абсолютного вакуума казалась ему нелогичной.
Настоящий прорыв случился в XVII веке. Галилей обратил внимание, что всасывающие насосы не могут поднять воду выше десяти метров — этот факт не объяснялся аристотелевской физикой. Его ученик Торричелли в 1644 году провел знаменитый опыт с ртутной трубкой. Он заполнил длинную стеклянную трубку ртутью, запаял один конец и перевернул ее в чашу. Столб ртути опустился до высоты 760 миллиметров, а над ним в запаянном конце образовалась пустота — торричеллиева пустота, как ее потом назвали.
Чуть позже немецкий ученый Отто фон Герике изобрел первый вакуумный насос. С его помощью он проделал множество эффектных опытов. Самый известный — с магдебургскими полушариями: две медные полусферы, из которых откачали воздух, не могли разорвать даже шестнадцать лошадей. Герике обнаружил, что в вакууме гаснет пламя, не распространяется звук, а животные погибают.
Англичанин Роберт Бойль усовершенствовал насос Герике и провел систематические исследования свойств разреженного воздуха. Он показал, что в вакууме жидкости поднимаются в капиллярах, что трение тел выделяет тепло даже без воздуха, что дым опускается под действием тяжести, а не всплывает.
В XX веке представления о вакууме кардинально изменились. Появилась квантовая теория поля, которая показала, что пустота — это сложная динамическая система. А общая теория относительности описала гравитацию как свойство самого пространства-времени, которое может искривляться даже при полном отсутствии материи.
Вопросы и ответы
В разделе ответили на вопросы о вакууме.
Может ли вода кипеть в вакууме при комнатной температуре?
Да. Если понизить давление, температура кипения жидкости падает. В глубоком вакууме вода действительно закипает при комнатной температуре. На этом основана технология сублимационной сушки продуктов.
С какой скоростью распространяется гравитация в вакууме?
Скорость гравитации, согласно общей теории относительности, равна скорости света. Гравитационные волны, зарегистрированные детекторами LIGO, распространялись именно с этой скоростью, что подтвердило теоретические предсказания.
Почему в вакууме не слышно звука?
Звук — это механические колебания, которые передаются через вещество. Чтобы волна дошла от источника до уха, нужна упругая среда — воздух, вода, твердое тело. В вакууме передавать колебания нечему, поэтому там всегда тихо.
