Обычная вода в вакууме мгновенно закипает и испаряется даже при собственной температуре около нуля по цельсию (одновременно делая вакуум не таким уж вакуумом). Вообще в вакууме всё пропускает и испаряется: даже металлы, вопрос глубины вакуума и температуры. Только представьте, что обычное резиновое уплотнение пропускает значительный объём газа для того, чтобы помешать вакуумированию. Не где-то через щель, а через саму резину. Или, например, гибкий шланг помимо того, что пропускает сквозь себя воздух, ещё и слегка испаряется сам. А внутренняя поверхность вакуумной камеры накапливает газ в своих шероховатостях, и поэтому её обычно полируют. Всё это очень непривычно для понимания.

Под вакуумом работают многие интересные научные приборы: масс-спектрометры, Оже-спектрометры, напылительные установки, ускорители элементарных частиц, лазеры и, конечно, различные виды электронных микроскопов. Распространённые предметы домашнего быта, в которых есть высокий вакуум – это термос, электронно-лучевая трубка телевизора или монитора, различные виды электронных ламп.

В этой статье есть наглядное описание всего необходимого для того, чтобы вы разбирались в теме.

У большинства людей слово «вакуум» ассоциируется с открытым космосом и другими областями, в которых нет материи. Однако открытый космос, на самом деле, не пустой. Напротив, в нем есть флуктуирующие квантовые поля, производящие частицы, которые отвечают за фундаментальные законы физики во Вселенной. Когда это пространство достигает минимального энергетического уровня, говорят, что оно находится в вакуумном состоянии. Тем не менее эти квантовые поля, несмотря ни на что, продолжают работу, удерживая таким образом ткань реальности от разрушения.

Нам известны 17 частиц, которые появляются при возмущении квантовых полей – или, другими словами, когда квантовое поле получает энергию. Одна из таких частиц – фотон, который мы воспринимаем как свет и который отвечает за электромагнитные излучения вроде рентгеновского и микроволнового среди прочих. Также есть кварки, которые собираются в протоны и нейтроны в атомных ядрах. Другие частицы – частицы взаимодействий – вроде сильного и слабого, – которые в итоге диктуют, как работает Вселенная.

Хотя мы привыкли жить в среде из смеси газов азота, кислорода и некоторых других веществ – но именно вакуум в различной степени разрежённости занимает более 99,999999999999999999% от всего объёма Вселенной.

Так как полного отсутствия вещества в заданном объёме добиться практических невозможно – на практике обычно используют понятие «технический вакуум» которым обозначают любую концентрацию вещества меньшую одной атмосферы (давление 101325 Па при концентрации частиц в 2,5*10¹⁹ на 1 см³).

По соотношению размеров вакуумной камеры и длине свободного пробега молекул газа (средняя дистанция, которые молекулы пролетают между соударениями с друг другом) вакуум делят на низкий (пробег значительно меньше размеров камеры), средний (длина пробега сопоставима с размерами камеры) и высокий (камера значительно больше среднего пробега). В соответствии с этим высокого вакуума можно добиться как откачиванием из камеры воздуха, так и простым уменьшением размеров самой камеры (однако второй вариант на практике обычно применяется только для изучения физических свойств самого вещества в состоянии вакуума).

Вакуум нашёл довольно широкое применение на практике: при извлечении газов в процессе плавки металлов и при сушке синтетических волокон, при напылении тонких плёнок на различные подложки, при производстве электронно-лучевых трубок, а также для длительной консервации продуктов питания и даже для перспективных видом транспорта.

Кроме этого он используется при тестах космических аппаратов и в научных целях на ускорителях частиц: так крупнейшими и самыми известными вакуумными установками на Земле является Большой адронный коллайдер построенный в 2007 году (имеющий 50 км труб с общим объёмом около 15 тысяч кубических метров при рабочем давлении от 10^-8 до 10^-9 Па) и термо-вакуумная тестовая камера NASA существующая уже с 1969 года (имеющая 37 м в высоту и 30 м в диаметре).

При исследованиях квантовой теории поля оказалось, что согласно принципу неопределённости Гейзенберга, если даже освободить определённое пространство от абсолютно всего вещества в нём должны происходить квантовые флуктуации вакуума (заключающиеся в постоянном возникновении и аннигиляции виртуальных частиц) которые в свою очередь должны приводить к незначительному, но отличимому от нуля давлению.

Самыми известными проявлениями этого являются различные формы эффекта Казимира и лэмбовский сдвиг, заключающийся в небольшом различии между энергетическими уровнями атомов водорода в двух его стабильных состояниях.

Ва́куум (от лат. vacuus – пустота) – пространство, свободное от вещества. В технике и прикладной физике под вакуумом понимают среду, состоящую из газа при давлении значительно ниже атмосферного.

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 частности 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.

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).

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 вакуумировано.

Вакуум широко применяется в электровакуумных приборах – радиолампах (например, магнетронах микроволновых печей), электронно-лучевых трубках и т.п.

Под физическим вакуумом в квантовой физике понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. При этом такое состояние вовсе не обязательно соответствует пустоте: поле в низшем состоянии может быть, например, полем квазичастиц в твёрдом теле или даже в ядре атома, где плотность чрезвычайно высока.

Физическим вакуумом называют также полностью лишённое вещества пространство, заполненное полем в таком состоянии. Такое состояние не является абсолютной пустотой. Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей.

В некоторых конкретных теориях поля вакуум может обладать нетривиальными топологическими свойствами. В теории могут существовать несколько различных вакуумов, различающихся плотностью энергии или другими физическими параметрами (в зависимости от применяемых гипотез и теорий).

Вырождение вакуума при спонтанном нарушении симметрии приводит к существованию непрерывного спектра вакуумных состояний, отличающихся друг от друга числом голдстоуновских бозонов. Локальные минимумы энергии при разных значениях какого-либо поля, отличающиеся по энергии от глобального минимума, носят название ложных вакуумов; такие состояния метастабильны и стремятся распасться с выделением энергии, перейдя в истинный вакуум или в один из нижележащих ложных вакуумов.

Некоторые из этих предсказаний теории поля уже были успешно подтверждены экспериментом. Так, эффект Казимира и лэмбовский сдвиг атомных уровней объясняется нулевыми колебаниями электромагнитного поля в физическом вакууме. На некоторых других представлениях о вакууме базируются современные физические теории. Например, существование нескольких вакуумных состояний (упомянутых выше ложных вакуумов) является одной из главных основ инфляционной теории Большого взрыва.

Ложный вакуум – состояние в квантовой теории поля, которое не является состоянием с глобально минимальной энергией, а соответствует её локальному минимуму. Такое состояние стабильно в течение определённого времени (метастабильно), но может «туннелировать» в состояние истинного вакуума.

Эйнштейновский вакуум – иногда встречающееся название для решений уравнений Эйнштейна в общей теории относительности для пустого, без материи, пространства-времени. Синоним – пространство Эйнштейна.

Космическое пространство имеет очень низкую плотность и давление и является наилучшим приближением физического вакуума. Но космический вакуум не является действительно совершенным, даже в межзвёздном пространстве есть несколько атомов водорода на кубический сантиметр.

Звёзды, планеты и спутники держат свои атмосферы силой притяжения, и как таковой у атмосферы нет чётко очерченной границы: плотность атмосферного газа просто уменьшается с расстоянием от объекта. Атмосферное давление Земли падает до примерно 2×10⁻² Па на 100 км высоты – на так называемой линии Кармана, которая является общим определением границы с космическим пространством.

За этой линией изотропное давление газа быстро становится незначительным по сравнению с давлением излучения от Солнца и динамическим давлением солнечного ветра, поэтому определение давления становится трудно интерпретировать. Термосфера в этом диапазоне имеет большие градиенты давления, температуры и состава, и сильно варьируется в связи с космической погодой.

Плотность атмосферы в течение первых нескольких сотен километров выше линии Кармана всё ещё достаточна для оказания значительного сопротивления движению искусственных спутников Земли. Большинство спутников работают в этой области, называемой низкой околоземной орбитой, и должны подрабатывать двигателями каждые несколько дней для поддержания стабильной орбиты.

Космическое пространство заполнено большим количеством фотонов, так называемым реликтовым излучением, а также большим количеством реликтовых нейтрино, пока не поддающихся обнаружению. Текущая температура этих излучений составляет около 3 К, или −270°C.

Идея вакуума (пустоты) была предметом споров ещё со времён древнегреческих и древнеримских философов. Атомисты – Левкипп (ок. 500 г. до н.э.), Демокрит (около 460-370 гг. до н.э.), Эпикур (341-270 гг. до н.э.), Лукреций (ок. 99-55 гг. до н.э.) и их последователи – предполагали, что всё существующее – атомы и пустота между ними, причём без вакуума не было бы и движения, атомы не могли бы двигаться, если бы между ними не было пустого пространства.

Стратон (ок. 270 г. до н.э.) и многие философы в более поздние времена полагали, что пустота может быть «сплошной» (vacuum coacervatum) и «рассеянной» (в промежутках между частицами вещества, vacuum disseminatum).

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

Некоторые предпосылки к эмпирическому исследованию вакуума существовали ещё в античности. Древнегреческие механики создавали различные технические устройства, основанные на разрежении воздуха. Например, водяные насосы, действующие путём создания разрежения под поршнем, были известны ещё во времена Аристотеля.

До нашего времени сохранился рисунок пожарного насоса, изобретённого «отцом пневматики» Ктезибием (ок. 250 г. до н.э.). Водяные насосы такого типа были фактически прообразами вакуумного поршневого насоса, появившегося спустя почти два тысячелетия. Ученик Ктезибия, Герон Александрийский, разработал поршневой шприц для вытягивания гноя, тоже являющийся по существу вакуумным устройством.

Эмпирическое изучение вакуума началось лишь в XVII веке, с концом Возрождения и началом научной революции Нового времени. К этому моменту уже давно было известно, что всасывающие насосы могут поднимать воду на высоту не более 10 метров. Например, в трактате Георгия Агриколы (1494-1555) «О горном деле» приведено изображение цепочки водяных насосов для откачки воды из шахты.

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

Под влиянием трактата Галилея, где указывалось на ограниченность «боязни пустоты», в 1639-1643 гг. Гаспаро Берти на фасаде своего дома в Риме соорудил устройство (в более поздней терминологии, барометрическую водяную трубу), которое можно считать первой установкой для физического исследования вакуума.

В верхней, стеклянной закрытой части трубы высотой более 10 м, над водяным столбом, уравновешенным атмосферным давлением, обнаруживалось пустое пространство (на самом деле оно было заполнено водяными парами под давлением, равным упругости паров воды при температуре окружающей среды, а также выделившимся из воды растворённым воздухом, то есть давление в полости составляло около 0,1 атмосферы). Эмануэль Маньяно закрепил в этой полости колокольчик и молоток. Воздействуя на молоток магнитом, он ударял молотком по колокольчику. В результате этого первого в истории эксперимента в вакууме (точнее, в разреженном газе) было обнаружено, что звук колокольчика был приглушённым.

Учёный Рафаэло Маджотти (1597-1656) из Рима сообщил об опытах Берти и Маньяно ученику Галилея, флорентийцу Эванджелисте Торричелли. При этом Маджотти высказал мысль, что более плотная жидкость остановилась бы на более низком уровне. В 1644 году Торричелли (с помощью Винченцо Вивиани, другого ученика Галилея) сумел создать первую вакуумную камеру. Его работы, связанные с теориями атмосферного давления, послужили основой дополнительных экспериментальных методик.

Вакуум по методу Торричелли (торричеллиева пустота) достигается путём наполнения ртутью длинной стеклянной трубки, запаянной с одного конца, а затем переворачиванием её таким образом, чтобы открытый конец трубки оказался под поверхностью ртути в более широком открытом сосуде. Ртуть будет вытекать из трубки, пока сила тяжести ртутного столба не будет скомпенсирована атмосферным давлением. В свободном от ртути пространстве в верхнем, запаянном конце трубки образуется вакуум. Этот метод лежит в основе работы ртутного барометра. При стандартном атмосферном давлении высота ртутного столба, уравновешенного атмосферным давлением, равна 760 мм.

Около 1650 года немецкий учёный Отто фон Герике изобрёл первый вакуумный насос (поршневой цилиндр с водяным уплотнением), позволивший легко откачивать воздух из герметичных ёмкостей и экспериментировать с вакуумом. Насос, названный автором antlia pneumatica, был ещё очень далек от совершенства и требовал не менее трёх человек для манипуляций с поршнем и кранами, погруженными в воду, для лучшей изоляции образующейся пустоты от наружного воздуха. Однако с его помощью Герике сумел продемонстрировать многие свойства вакуума, в частности, поставив знаменитый опыт с Магдебургскими полушариями.

Герике создал также водяной барометр, по принципу действия аналогичный ртутному барометру Торричелли, хотя из-за меньшей плотности воды по сравнению с ртутью высота водяного столба, уравновешивающего атмосферное давление, в 13,6 раз больше – около 10 метров. Герике впервые выяснил, что вакуум не проводит звук и что горение в нём прекращается.

Вакуумный насос Герике был значительно усовершенствован Робертом Бойлем, что позволило ему выполнить ряд экспериментов для выяснения свойств вакуума и его влияния на различные объекты. Бойль обнаружил, что в вакууме гибнут мелкие животные, огонь потухает, а дым опускается вниз (и, следовательно, так же подвержен влиянию силы тяжести, как и другие тела).

Бойль выяснил также, что поднятие жидкости в капиллярах происходит и в вакууме, и тем самым опроверг господствовавшее тогда мнение, что в этом явлении участвует давление воздуха. Напротив, перетекание жидкости через сифон в вакууме прекращалось, чем было доказано, что это явление обусловлено атмосферным давлением. Он показал, что при химических реакциях (таких, как гашение извести), а также при взаимном трении тел тепло выделяется и в вакууме.

Люди и животные, подвергшиеся воздействию вакуума, теряют сознание через несколько секунд и умирают от гипоксии в течение нескольких минут, но эти симптомы, как правило, не похожи на те, которые показывают в популярной культуре и СМИ. Снижение давления понижает температуру кипения, при которой кровь и другие биологические жидкости должны закипеть, но упругое давление кровеносных сосудов не позволяет крови достичь температуры кипения 37°С. Хотя кровь не вскипает, эффект образования газовых пузырьков в ней и других жидкостях тела при низких давлениях, известный как эбуллизм (воздушная эмфизема), является серьёзной проблемой.

Газ может раздувать тело в два раза больше его нормального размера, но ткани достаточно эластичны, чтобы предотвратить их разрыв. Отёки и эбуллизм можно предотвратить специальным лётным костюмом. Астронавты шаттлов носили специальную эластичную одежду под названием Crew Altitude Protection Suit (CAPS), которая предотвращает эбуллизм при давлении более 2 кПа (15 мм рт.ст.). Быстрое испарение воды охлаждает кожу и слизистые оболочки до 0°С, особенно во рту, но это не представляет большой опасности.

Эксперименты на животных показывают, что после 90 секунд нахождения организма в вакууме обычно происходит быстрое и полное восстановление организма, однако более долгое пребывание в вакууме фатально и реанимация бесполезна. Имеется лишь ограниченный объем данных о влиянии вакуума на человека (как правило, это происходило при попадании людей в аварию), но они согласуются с данными, полученными в экспериментах на животных. Конечности могут находиться в вакууме гораздо дольше, если дыхание не нарушено. Первым показал, что вакуум смертелен для мелких животных, Роберт Бойль в 1660 году.

Степень вакуума определяется количеством вещества, оставшимся в системе. Вакуум, в первую очередь, определяется абсолютным давлением, а полная характеристика требует дополнительных параметров, таких как температура и химический состав.

Одним из наиболее важных параметров является средняя длина свободного пробега (MFP) остаточных газов, которая указывает среднее расстояние, которое частица пролетает за время свободного пробега от одного столкновения до следующего. Если плотность газа уменьшается, MFP увеличивается. MFP в воздухе при атмосферном давлении очень короткий, около 70 нм, а при 100 мПа (~1×10⁻³ торр) MFP воздуха составляет примерно100 мм. Свойства разреженного газа сильно изменяются, когда длина свободного пробега становится сравнима с размерами сосуда, в котором находится газ.

Вакуум полезен для многих процессов и применяется в разных устройствах. Впервые для массово используемых товаров он был применён в лампах накаливания с целью защиты нити от химического разложения. Химическая инертность материалов, обеспечиваемая вакуумом, также полезна для электронно-лучевой сварки, холодной сварки, вакуумной упаковки и вакуумной жарки.

Сверхвысокий вакуум используется при изучении атомарно чистых субстратов, так как только очень высокий вакуум сохраняет поверхности чистыми на атомарном уровне в течение достаточно длительного времени (от минут до суток). При высоком и сверхвысоком вакуумировании устраняется противодействие воздуха, позволяя пучкам частиц осаждать или удалять материалы без загрязнения.

Этот принцип лежит в основе химического осаждения из газовой фазы, вакуумного напыления и сухого травления, которые применяются в производстве полупроводников и оптических покрытий, а также в химии поверхности.

Снижение конвекции обеспечивает теплоизоляцию в термосах. Глубокий вакуум понижает температуру кипения жидкости и способствует низкой температуре дегазации, которое используется в сублимационной сушке, приготовлении клея, перегонке, металлургии и вакуумной очистке. Электрические свойства вакуума делают возможными электронные микроскопы и вакуумные трубки, включая катодные лучевые трубки.

Вакуумные выключатели используются в электрических распределительных устройствах. Вакуумный пробой имеет промышленное значение для производства определенных марок стали или материалов высокой чистоты. Исключение трения воздуха полезно для накопления энергии маховика и ультрацентрифуг.

Вакуум обычно используется, чтобы произвести всасывание, которое имеет ещё более широкий спектр применения. Паровой двигатель Ньюкомена использовал вакуум вместо давления, чтобы управлять поршнем.

В XIX веке вакуум был использован для тяги на экспериментальной пневматической железной дороге Изамбарда Брунеля. Вакуумные тормоза когда-то широко использовались на поездах в Великобритании, но, за исключением исторических железных дорог, они были заменены пневматическими тормозами.