Вакуўм

Вакуўм (па-лацінску: vacuum — пустэча) — стан матэрыі ў адсутнасьці рэчыва. Таксама яго часам завуць беспаветранай прасторай, хоць гэта і няслушна. Набліжэньні да такога вакуўму з газавым ціскам нашмат меншым за атмасфэрны ціск таксама называецца вакуўмам, то бок такі стан разрэджанага газу характарызуецца большым памерам даўжыны вольнага прабегу малекулы за памеры пасудзіны, у якой знаходзіцца газ. Фізыкі часьцяком абмяркоўваюць ідэальны вынік тэсту, які будзе адбывацца ў ідэальным вакуўме, які яны часам проста называюць «вакуўмам» ці вольнай прасторай, а таксама выкарыстоўваць тэрмін частковага вакуўму для абазначэньня фактычнага недасканалага вакуўму, які можна было б мець у лябараторых умовах.

Шкляны посуд з помпай для дэманстрацыі вакуўму

Якасьць частковага вакуўму залежыць ад таго, як блізка ён набліжаецца да ідэальнага вакуўму. Пры іншых роўных умовах, зьніжэньне ціску газу азначае большую высокую якасьць вакуўму. Напрыклад, тыповы пыласос вырабляе дастаткова ўсмоктваньня, каб паменшыць ціск паветра прыкладна на 20%. Звышвысокія вакуўмныя камэры выкарыстоўваюцца ў дасьледваньнях па хіміі, фізыцы й тэхніцы, маючы паказчык ніжэй за 10⁻¹² атмасфэрнага ціску. Касьмічная прастора зьяўляецца вакуўмам зь яшчэ лепшай якасьцю, зь сярэднім паказчыкам у ўсяго некалькі атамаў вадароду на кубічны мэтар. У сучаснай фізыцы часьцінак, вакуўмны стан разглядаецца як асноўны стан матэрыі.

Частковы вакуўм з вынаходзтвам лямпаў напальваньня й вакуўмных лямпаў у пачатку XX стагодзьдзя стаў шырока выкарыстоўвацца ў прамысловасьці. У вакуўме праводзіцца значная колькасьць фізычных экспэрымэнтаў, бо адсутнасьць паветра або атмасфэры іншага складу дазваляе паменшыць непажаданы ўплыў на аб’ект дасьледаваньня. Цікавасьць да вывучэньня вакуўму павялічылася пасьля выхаду чалавека ў космас. Варта адрозьніваць паняцьці фізычнага вакуўму і тэхнічнага вакуўму.

Тэхнічны вакуўм

Ужываецца звычайна да газу, які запаўняе абмежаваны аб’ём. У макраскапічных аб’ёмах ідэальны вакуўм недасяжны на практыцы, паколькі пры канчатковай тэмпэратуры ўсе матэрыялы валодаюць ненулявой шчыльнасьцю насычаных пароў. Акрамя таго, шматлікія матэрыялы (у тым ліку тоўстыя мэталічныя, шкляныя і іншыя сьценкі пасудзін) прапускаюць газы. У мікраскапічных аб’ёмах, аднак, дасягненьне ідэальнага вакуўму ў прынцыпе магчыма.

На практыцы моцна разрэджаны газ завуць тэхнічным вакуўмам. Строга кажучы, тэхнічным вакуўмам завуць газ у пасудзіне або трубаправодзе з ціскам ніжэй, чым у навакольнай атмасфэры. Паводле іншага азначэньня, калі малекулы, або атамы газу перастаюць сутыкацца адзін з адным, і газадынамічныя ўласьцівасьці зьмяняюцца вязкастнымі (пры ціску каля 1 Тор) кажуць аб дасягненьні нізкага вакуўму. Звычайна нізкавакуўмная помпа стаіць паміж атмасфэрным паветрам і высокавакуўмнай помпай, ствараючы папярэдняе разрэджаньне, таму нізкі вакуўм часта завуць фарвакуўм. Пры наступным паніжэньні ціску ў камэры, павялічваецца сярэдняя даўжыня вольнага прабегу λ малекул газу. Пры λ >> d, дзе d — памеры камэры, малекулы газу ўжо не сутыкаюцца адзін з адной, а вольна перамяшчаюцца ад сьценкі да сьценкі, у гэтым выпадку кажуць аб высокім вакуўме(10^-5 Тор). Звышвысокі вакуўм адпавядае ціску 10^-9 Тор і ніжэй. Для параўнаньня, ціск у космасе на некалькі парадкаў ніжэй, у далёкім жа космасе і зусім можа дасягаць 10^-30 Тор і ніжэй.

Высокі вакуўм у мікраскапічных парах некаторых крышталяў дасягаецца пры атмасфэрным ціску, што зьвязана менавіта з даўжынёй вольнага прабегу газу.

Апараты, якія выкарыстоўваюцца для дасягненьня і падтрыманьня вакуўму, завуцца вакуўмнымі помпамі. Для паглынаньня газаў і стварэньня неабходнай ступені вакуўму выкарыстоўваюцца гэтэры. Шырэйшы тэрмін вакуўмная тэхніка уключае таксама прыборы для вымярэньня і кантролю вакуўму, маніпуляваньня прадметамі і правядзеньня тэхналягічных апэрацый у вакуўмнай камэры, і т. д.

Варта адзначыць, што нават у ідэальным вакуўме пры канчатковай тэмпэратуры заўсёды маецца некаторае цеплавое выпраменьваньне (газ фатонаў). Такім чынам, цела, зьмешчанае ў ідэальны вакуўм, рана або позна прыйдзе ў цеплавую раўнавагу са сьценкамі вакуўмнай камэры за кошт абмену цеплавымі фатонамі.

Фізычны вакуўм

Пад фізычным вакуўмам у сучаснай фізыцы разумеюць цалкам пазбаўленае матэрыі прастора. Нават калі бы атрымалася атрымаць гэты стан на практыцы, ён ня быў бы абсалютнай пустэчай. Квантавая тэорыя поля сьцьвярджае, што, у згодзе з прынцыпам нявызначанасьці, у фізычным вакуўме стала нараджаюцца і зьнікаюць віртуальныя часьціцы: адбываюцца так званыя нулявыя ваганьні палёў. У некаторых пэўных тэорыях поля вакуўм можа валодаць нетрывіяльнымі тапалягічнымі ўласьцівасьцямі, але ня толькі, а таксама ў тэорыі могуць існаваць некалькі розных вакуўмаў, якія адрозніваюцца шчыльнасьцю энэргіі, і т. д.

Некаторыя з гэтых прадказаньняў тэорыі поля ўжо былі пасьпяхова пацьверджаныя экспэрымэнтам. Так, эфэкт Казіміра і лэмбаўскі зрух атамных узроўняў тлумачыцца нулявымі ваганьнямі электрамагнітнага поля ў фізычным вакуўме. На некаторых іншых паданьнях аб вакуўме грунтуюцца сучасныя фізычныя тэорыі. Напрыклад, існаваньне некалькіх вакуўмных станаў (так званых ілжывых вакуўмаў) зьяўляецца адным з галоўных асноў інфляцыйнай тэорыі Вялікага выбуху.

Але, мабыць, самым навочным з зьяў, якія нельга растлумачыць, не выкарыстаючы ідэю аб нулявых ваганьнях вакуўму, гэтае спантанае выпраменьваньне. Самыя звычайныя выпраменьвальныя спантана лямпы напальваньня не сьвяціліся бы, калі бы вакуўм быў абсалютнай пустэчай. Справа ў тым, што любы аб’ект (а, значыць, і ўзбуджаны атам), зьмешчаны ў абсалютна пустая прастора, уяўляе сабой замкнёную сыстэму. А паколькі такая сыстэма стабільная ў часе, то ніякага выпраменьваньня не адбывалася бы. Ужо з гэтай простай развагі зразумела, што тлумачэньне спантанага выпраменьваньня патрабуе прыцягненьня больш складанай мадэлі вакуўму, чым клясычная абсалютная пустэча.

Глядзіце таксама

• Вакуўмная зброя
• Ілжывы вакуўм
• Тэорыя струн
• Эйнштэйнаўскі вакуўм

Вонкавыя спасылкі

• Амэрыканскае вакуўмнае таварыства  (анг.)
• Вакуўмная энэргія ў фізыцы высокіх энэргій  (анг.)
• Вакуўм, прадукт космасу  (анг.)