Просмотр кода страницы Вакуум

{{redirect|Абсолютная пустота|Абсолютная пустота (книга)|о книге Станислава Лема}}
{{Другие значения}}
[[Файл:Kolbenluftpumpe hg.jpg|thumb|Насос для демонстрации вакуума]]
'''Ва́куум''' (от {{lang-la|vacuus}} — пустота) — [[Пространство в физике|пространство]], свободное от вещества. В технике и прикладной физике под вакуумом понимают среду, состоящую из [[газ]]а при [[давление|давлении]] значительно ниже [[Атмосферное давление|атмосферного]]<ref name="chambers">{{книга |год=2004 |заглавие=Modern Vacuum Physics |издательство=[[CRC Press]] |место=Boca Raton |isbn=0-8493-2438-6 |oclc=55000526 |ref=Chambers |язык=en |автор=Chambers, Austin}}</ref>.

Вакуум характеризуется так называемым [[Число Кнудсена|числом Кнудсена]] — соотношением между [[Длина свободного пробега|длиной свободного пробега]] молекул газа {{math|λ}} и характерным размером среды {{math|''d''}}: <math>\mathrm{Kn}=\frac{\lambda}{d}</math>. Под {{math|''d''}} может приниматься расстояние между стенками [[вакуумная камера|вакуумной камеры]], диаметр вакуумного [[трубопровод]]а {{итп}} В зависимости от величины соотношения {{math|λ/''d''}} различают низкий (<math>\lambda /d \ll 1</math>), средний (<math>\lambda /d \sim 1</math>) и высокий (<math>\lambda /d \gg 1</math>) вакуум.

== Технический вакуум ==
{{переработать раздел|дата=2008-06-21}}
[[Файл:Cut through turbomolecular pump.jpg|thumb|[[Турбомолекулярный насос]] в разрезе.]]
<!--По курсу лекций по методам исследования, требуется уточнить-->
На практике сильно разрежённый газ называют '''техническим вакуумом'''. В [[Макроскопическое исследование|макроскопических]] объёмах идеальный вакуум (среда, лишённая молекул газа) практически недостижим, поскольку при конечной температуре все материалы обладают ненулевой плотностью [[Насыщенный пар|насыщенных паров]]. Кроме того, многие материалы (даже толстые металлические, стеклянные и иные стенки сосудов) пропускают газы. В <u>микроскопических</u> объёмах, однако, достижение идеального вакуума в принципе возможно.

Мерой степени [[Тяга (разрежение)|разрежения]] вакуума служат длина свободного пробега молекул газа <math>\lambda</math>, связанная с их ''взаимными'' столкновениями в газе, и характерный линейный размер <math>d</math> 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 [[Молекула|молекулы]] или атомы газа перестают сталкиваться друг с другом, и газодинамические свойства сменяются вязкостными (при давлении около {{nobr|1 [[Миллиметр ртутного столба|мм рт. ст.]]}}), говорят о достижении ''низкого вакуума'' (<math>\lambda \ll d </math>; {{nobr|10<sup>16</sup> молекул}} на {{nobr|1 см³}}). Обычно между атмосферным воздухом и высоковакуумным насосом стои́т так называемый форвакуумный насос, создавая предварительное разрежение, поэтому низкий вакуум часто называют ''[[форвакуум]]ом''. При дальнейшем понижении давления в камере увеличивается средняя длина свободного пробега <math>\lambda</math><!--{{math|λ}}--> молекул газа. При <math>\lambda /d \gg 1</math> молекулы газа гораздо чаще сталкиваются со стенками, чем друг с другом. В этом случае говорят о ''высоком вакууме'' ({{nobr|10<sup>−5</sup> мм рт. ст.}}; {{nobr|10<sup>11</sup> молекул}} на {{nobr|1 см³}}). ''Сверхвысокий вакуум'' соответствует давлению {{nobr|10<sup>−9</sup> мм рт. ст.}} и ниже. В сверхвысоком вакууме, например, обычно проводятся эксперименты с использованием [[сканирующий туннельный микроскоп|сканирующего туннельного микроскопа]]. Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже — {{nobr|10<sup>9</sup> молекул}} на {{nobr|1 см³}} (миллиард молекул в кубическом сантиметре), в дальнем космосе и вовсе может достигать {{nobr|10<sup>−16</sup> мм рт. ст.}} и ниже ({{nobr|1 молекула}} на {{nobr|1 см³}})<ref name=tadokoro>{{статья
|заглавие=A Study of the Local Group by Use of the Virial Theorem
|издание={{Нп3|Publications of the Astronomical Society of Japan}}
|том=20
|страницы=230
|bibcode=1968PASJ...20..230T
|язык=en
|тип=journal
|автор=Tadokoro, M.
|год=1968}}</ref>.

Высокий вакуум в микроскопических порах некоторых кристаллов и в ультратонких капиллярах достигается уже при атмосферном давлении, поскольку диаметр поры/капилляра становится меньше, чем длина свободного пробега молекулы, равная в воздухе при нормальных условиях {{nobr|~60 нанометрам}}<ref>{{ФЭ|автор=Родин А. М., Дружинин А. В.|статья=Вакуум|том=1|страницы=235—236}}</ref>.

Аппараты, используемые для достижения и поддержания вакуума, называются [[вакуумный насос|вакуумными насосами]]. Для поглощения газов и создания необходимой степени вакуума используются [[Геттер (электровакуумная техника)|геттеры]]. Более широкий термин {{cl|вакуумная техника}} включает также приборы для измерения и контроля вакуума, манипулирования предметами и проведения технологических операций в вакуумной камере {{итд}} 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 [[Геттер (газопоглотитель)|геттеры]] (например, [[Титан (элемент)|титан]]) и криосорбционные насосы (в основном, для создания форвакуума).

Даже в идеальном вакууме при конечной [[температура|температуре]] всегда имеется некоторое [[тепловое излучение]] (газ [[фотон]]ов). 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 ([[Сосуд Дьюара|сосудах Дьюара]]), состоящих из ёмкости с двойными стенками, пространство между которыми вакуумировано.

Вакуум широко применяется в электровакуумных приборах — [[Радиолампы|радиолампах]] (например, [[магнетрон]]ах микроволновых печей), [[электронно-лучевая трубка|электронно-лучевых трубках]] и т. п.

== Физический вакуум ==

=== Вакуум квантовой теории поля ===
{{main|Вакуум квантовой теории поля}}
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 [[Квазичастица|квазичастиц]] в [[Твёрдое тело|твёрдом теле]] или даже в ядре атома, где плотность чрезвычайно высока. Физическим вакуумом называют также полностью лишённое [[Вещество|вещества]] пространство, заполненное полем в таком состоянии<ref name=weig>{{книга
|заглавие=Introduction to complex mediums for optics and electromagnetics
|издательство=SPIE Press
|часть=§ 4.1 The classical vacuum as reference medium
|год=2003
|isbn=978-0-8194-4947-4
|страницы=28, 34
|ссылка=https://books.google.com/?id=QtIP_Lr3gngC&pg=PA34
|язык=en
|автор=Werner S. Weiglhofer
|ответственный=Werner S. Weiglhofer and Akhlesh Lakhtakia, eds
}}</ref><ref>
{{книга
|заглавие=Progress in Optics, Volume 51
|часть=Electromagnetic Fields in Linear Bianisotropic Mediums
|издательство=[[Elsevier]]
|год=2008
|isbn=978-0-444-52038-8
|страницы=143
|ссылка=https://books.google.com/books?id=lCm9Q18P8cMC&pg=PA143
|язык=en
|автор=Tom G. MacKay
|ответственный=Emil Wolf
}}</ref>. Такое состояние не является [[ничто|абсолютной пустотой]]. [[Квантовая теория поля]] утверждает, что, в согласии с [[принцип неопределённости|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 [[Спонтанное нарушение симметрии|спонтанном нарушении симметрии]] приводит к существованию непрерывного спектра вакуумных состояний, отличающихся друг от друга числом [[Голдстоуновский бозон|голдстоуновских бозонов]]. Локальные минимумы энергии при разных значениях какого-либо поля, отличающиеся по энергии от глобального минимума, носят название [[ложный вакуум|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]]<ref>Физическая энциклопедия, т.5. Стробоскопические приборы — Яркость/ Гл. ред. А. М. Прохоров. Ред.кол.: А. М. Балдин,А. М. Бонч-Бруевич и др. — М.:Большая Российская Энциклопедия,1994, 1998.-760 с.:ил. ISBN 5-85270-101-7 , стр.644</ref> и [[лэмбовский сдвиг]] атомных уровней объясняется нулевыми колебаниями [[электромагнитное поле|электромагнитного поля]] в физическом вакууме. На некоторых других представлениях о вакууме базируются современные физические теории. Например, существование нескольких вакуумных состояний (упомянутых выше [[ложный вакуум|ложных вакуумов]]) является одной из главных основ [[инфляционная модель Вселенной|инфляционной теории]] [[Большой взрыв|Большого взрыва]].

=== Ложный вакуум ===
[[Файл:Falsevacuum-ru.svg|thumb|240px|[[Скалярное поле]] ''φ'' в состоянии ложного вакуума. Энергия ''E'' выше, чем в состоянии истинного вакуума ([[основное состояние]]), но потенциальный барьер препятствует переходу поля. Таким образом, переход возможен лишь при высокой энергии поля или путём [[Туннельный эффект|квантовомеханического туннелирования]]]]
{{main|Ложный вакуум}}
'''Ложный вакуум''' — состояние в [[квантовая теория поля|квантовой теории поля]], которое не является состоянием с глобально минимальной [[энергия|энергией]], а соответствует её локальному минимуму. Такое состояние стабильно в течение определённого времени (метастабильно), но может «[[Туннельный эффект|туннелировать]]» в состояние истинного вакуума.

=== Эйнштейновский вакуум ===
{{main|Эйнштейновский вакуум}}
'''Эйнштейновский вакуум''' — иногда встречающееся название для решений [[Уравнения Эйнштейна|уравнений Эйнштейна]] в [[Общая теория относительности|общей теории относительности]] для пустого, без материи, [[пространство-время|пространства-времени]]. Синоним — '''пространство Эйнштейна'''.

Уравнения Эйнштейна связывают метрику пространства-времени (метрический тензор {{math|''g''<sub>μν</sub>}}) с тензором энергии-импульса. В общем виде они записываются как

: <math>G_{\mu\nu} + \Lambda g_{\mu\nu} = {8 \pi G \over c^4} T_{\mu\nu},</math>

где тензор Эйнштейна {{math|''G''<sub>μν</sub>}} является определённой функцией метрического тензора и его частных производных, {{math|''R''}} — [[скалярная кривизна]], {{math|Λ}} — [[космологическая постоянная]], {{math|''T''<sub>μν</sub>}} — [[тензор энергии-импульса]] материи, {{math|π}} — [[число пи]], {{math|''c''}} — [[скорость света]] в вакууме, {{math|''G''}} — [[гравитационная постоянная]] Ньютона.
 
Вакуумные решения этих уравнений получаются при отсутствии материи, то есть при тождественном равенстве нулю тензора энергии-импульса в рассматриваемой области пространства-времени: {{math|''T''<sub>μν</sub> {{=}} 0}}. Часто лямбда-член также принимается равным нулю, особенно при исследовании локальных (некосмологических) решений. Однако при рассмотрении вакуумных решений с ненулевым лямбда-членом ('''лямбда-вакуум''') возникают такие важные космологические модели, как [[модель де Ситтера|модель Де Ситтера]] ({{math|Λ > 0}}) и модель анти-Де Ситтера ({{math|Λ < 0}}).

Тривиальным вакуумным решением уравнений Эйнштейна является плоское [[пространство Минковского]], то есть метрика, рассматриваемая в [[Специальная теория относительности|специальной теории относительности]].

Другие вакуумные решения уравнений Эйнштейна включают в себя, в частности, следующие случаи:
* Космологическая модель [[Эдуард Артур Милн|Милна]] (частный случай [[Вселенная Фридмана|метрики Фридмана]] с нулевой плотностью энергии)
* [[Метрика Шварцшильда]], описывающая геометрию вокруг сферически симметричной массы
* [[Метрика Керра]], описывающая геометрию вокруг вращающейся массы
* Плоская [[гравитационная волна]] (и другие волновые решения)

== Космическое пространство ==
{{Main|Космическое пространство}}

[[Файл:Structure of the magnetosphere-ru-1.svg|thumb|upright=1.5|Космическое пространство является неидеальным вакуумом, разреженная плазма заполнена заряженными частицами, электромагнитными полями, а иногда звёздами]]

Космическое пространство имеет очень низкую плотность и давление и является наилучшим приближением физического вакуума. Космический вакуум не является действительно совершенным, даже в межзвёздном пространстве есть несколько атомов водорода на кубический сантиметр. Плотность ионизированного атомарного водорода в межгалактическом пространстве [[Местная группа|Местной группы]] оценивается в {{nobr|7×10<sup>−29</sup> г/см³}}<ref>{{статья |автор=Tadokoro, M. |заглавие= |оригинал=A Study of the Local Group by Use of the Virial Theorem |ссылка=https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1968PASJ...20..230T |автор издания= |издание=Publications of the Astronomical Society of Japan |тип= |место= |издательство= |год=1968 |месяц= |число= |том=20 |выпуск= |номер= |страницы=230 |isbn= |issn= |doi= |bibcode= |arxiv= |pmid= |язык=en |ref= |archiveurl=https://web.archive.org/web/20220820183619/https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1968PASJ...20..230T |archivedate=2022-08-20 }}</ref>.

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 {{nobr|3,2×10<sup>−2</sup> Па}} на {{nobr|100 км}} высоты — на так называемой [[линия Кармана|линии Кармана]], которая является общим определением границы с космическим пространством. За этой линией изотропное давление газа быстро становится незначительным по сравнению с [[Давление электромагнитного излучения|давлением излучения]] от Солнца и динамическим давлением [[Солнечный ветер|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 [[Искусственный спутник Земли|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 [[Реликтовое излучение|реликтовым излучением]], а также большим количеством реликтовых нейтрино, пока не поддающихся обнаружению. Текущая температура этих излучений составляет около 3 К, или −270 °C<ref>{{Cite web |url=https://elementy.ru/posters/spectrum/temperature |title=Температура излучения |publisher=elementy.ru |accessdate=2019-09-27 |archive-date=2019-09-07 |archive-url=https://web.archive.org/web/20190907071452/https://elementy.ru/posters/spectrum/temperature |deadlink=no }}</ref>.

== История изучения вакуума ==
[[Файл:Baro 0.png|thumb|100px|Ртутный вакуумный барометр [[Торричелли, Эванджелиста|Эванджелисты Торричелли]] — учёного, впервые создавшего вакуум в лаборатории. Над поверхностью ртути в верхней части запаянной трубки — «[[торричеллиева пустота]]» (вакуум, содержащий пары ртути под давлением [[насыщенный пар|насыщения]] при данной температуре)]]
Идея вакуума (пустоты) была предметом споров ещё со времён древнегреческих и древнеримских философов. [[Атомизм|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 [[Эмпедокл]]а (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» [[Ктезибий|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.

Считается, что [[Аббасидский халифат|аббасидский]] учёный [[Аль-Фараби]] (870—950) первым провёл научный эксперимент по проверке существования вакуума. Он наблюдал и изучал погружение поршней в воду, а затем пришёл к выводу, что воздух всегда расширяется до тех пор, пока не заполнит существующий вакуум<ref>{{Книга|автор=Akram Zahoor|заглавие=Muslim history, 570 - 1950 C.E: chronology|год=2000|место=Gaithersburg, Md|издательство=AZP|страниц=198|isbn=978-0-9702389-0-0}}</ref>. Он был первым исследователем, который теоретизировал, что воздух занимает пространство и что его объём может быть увеличен. Аль-Фараби отверг идею идеального вакуума как нелогичную<ref>{{Статья|ссылка=https://plato.stanford.edu/archives/spr2022/entries/arabic-islamic-natural/|автор=Jon McGinnis|заглавие=Arabic and Islamic Natural Philosophy and Natural Science|год=2022|ответственный=Edward N. Zalta|издание=The Stanford Encyclopedia of Philosophy|издательство=Metaphysics Research Lab, Stanford University}}</ref>.

В Европе эмпирическое изучение вакуума началось лишь в XVII веке, с концом [[Возрождение|Возрождения]] и началом научной революции [[Новое время|Нового времени]]. К этому моменту уже давно было известно, что всасывающие насосы могут поднимать воду на высоту менее 10 метров. Например, в трактате [[Георгий Агрикола|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»<ref>''Галилей Г.'' Избранные труды в двух томах. / Составитель У. И. Франкфурт. — Том 2. — М.: Наука, 1964.</ref> (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 {{nobr|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. [[Берти, Гаспаро|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 {{nobr|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 {{nobr|0,1 атмосферы}}). [[Маньяно, Эмануэль|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 разрежённом газе) было обнаружено, что звук колокольчика был приглушённым<ref>Schotti H.G. Technica Curiosa. 1664.</ref>.

Учёный [[Маджотти, Рафаэло|Рафаэло Маджотти]]<ref>[http://www.imss.fi.it/vuoto/emagio.html Horror Vacui? — Raffaello Magiotti (1597—1656) — IMSS] {{Wayback|url=http://www.imss.fi.it/vuoto/emagio.html |date=20150924034201 }}.</ref> (1597—1656) из Рима сообщил об опытах Берти и Маньяно ученику Галилея, флорентийцу [[Торричелли, Эванджелиста|Эванджелисте Торричелли]]. При этом Маджотти высказал мысль, что более плотная жидкость остановилась бы на более низком уровне<ref>Cornelis De Waard. L’experience barometrique. Ses antecedents et ses explications. Thouars, 1936. P. 181.</ref>. В [[1644 год]]у Торричелли (с помощью [[Вивиани, Винченцо|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 [[ртуть]]ю 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<ref>''How to Make an Experimental Geissler Tube'', [[Popular Science]] monthly, February 1919, Unnumbered page, Scanned by Google Books: https://books.google.com/books?id=7igDAAAAMBAJ&pg=PT3 {{Wayback|url=https://books.google.com/books?id=7igDAAAAMBAJ&pg=PT3 |date=20161203131153 }}</ref>. 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 [[барометр]]а. При стандартном атмосферном давлении высота ртутного столба, уравновешенного атмосферным давлением, равна {{nobr|760 мм}}.

[[Файл:Magedurger Halbkugeln Luftpumpe Deutsches Museum.jpg|thumb|left|120px|Вакуумный насос [[Отто фон Герике|фон Герике]] и [[Магдебургские полушария]] в [[Немецкий музей (Мюнхен)|Немецком музее]] в Мюнхене]]

Около 1650 года немецкий учёный [[Герике, Отто фон|Отто фон Герике]] изобрёл первый [[вакуумный насос]] (поршневой цилиндр с водяным уплотнением), позволивший легко откачивать воздух из герметичных ёмкостей и экспериментировать с вакуумом<ref name="Borisov2003">''В. П. Борисов (Институт истории естествознания и техники им. С. И. Вавилова РАН.)''. [http://vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/VRAN/03_09/PUMP.HTM Изобретение, давшее дорогу открытиям: В 2002 г. исполнилось 400 лет со дня рождения изобретателя вакуумного насоса Отто фон Герике] {{Wayback|url=http://vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/VRAN/03_09/PUMP.HTM |date=20141205181746 }} // Вестник Российской академии наук. — 2003. — Т. 73, № 8. — С. 744—748.</ref>. Насос, названный автором ''antlia pneumatica'', был ещё очень далёк от совершенства и требовал более трёх человек для манипуляций с поршнем и кранами, погружёнными 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 [[Магдебургские полушария|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<ref name="Borisov2002">В. П. Борисов, [http://vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/VIET/VACUUM.HTM Изобретение вакуумного насоса и крушение догмы «Боязни Пустоты»] {{Wayback|url=http://vivovoco.astronet.ru/VV/JOURNAL/VIET/VACUUM.HTM |date=20140515140944 }} // Вопросы истории естествознания и техники, № 4, 2002</ref>.

Вакуумный насос Герике был значительно усовершенствован [[Бойль, Роберт|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 [[капилляр]]ах происходит и в вакууме, и тем самым опроверг господствовавшее тогда мнение, что в этом явлении участвует давление воздуха. Напротив, перетекание жидкости через [[Сифон (техника)|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.

== Влияние на людей и животных ==
Люди и животные, подвергшиеся воздействию вакуума, теряют сознание через несколько секунд и умирают от [[Гипоксия|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<ref name="Landis Vacuum Exposure">{{Cite web | title=Human Exposure to Vacuum | work= | url=http://www.geoffreylandis.com/vacuum.html | accessdate=2006-03-25 | publisher=www.geoffreylandis.com | date=2007-08-07 | last=Landis | first=Geoffrey | authorlink=Geoffrey A. Landis | archiveurl=https://web.archive.org/web/20090721182306/http://www.geoffreylandis.com/vacuum.html | archivedate=2009-07-21 | deadlink=yes }}</ref>. 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<ref name="NASA Bio Data Book">{{книга |год=1973 |заглавие=Bioastronautics Data Book |издание=Second |издательство=NASA |id=NASA SP-3006 |часть=Chapter 1) Barometric Pressure |ссылка=http://hdl.handle.net/2060/19730006364 |страницы=5 |ref=Billings |язык=en |автор=Billings, Charles E. |ответственный=Parker, James F.; West, Vita R. |archivedate=2020-04-04 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20200404185344/http://hdl.handle.net/2060/19730006364 }}</ref>. [[Отёк]]и 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 {{nobr|2 кПа}} ({{nobr|15 мм рт. ст.}})<ref name="Webb Space Activity Suit">{{статья |заглавие=The Space Activity Suit: An Elastic Leotard for Extravehicular Activity |издание=Aerospace Medicine |том=39 |номер=4 |страницы=376—383 |pmid=4872696 |язык=en |тип=journal |автор=Webb P. |год=1968}}</ref>. 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<ref name="Cooke Cardiovascular Responses">{{статья |заглавие=Some Cardiovascular Responses in Anesthetized Dogs During Repeated Decompressions to a Near-Vacuum |издание=Aerospace Medicine |том=37 |номер=11 |страницы=1148—1152 |pmid=5972265 |язык=en |тип=journal |автор=Cooke J. P., RW Bancroft |год=1966}}</ref>. Имеется лишь ограниченный объём 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<ref name="harding">{{книга |год=1989 |заглавие=Survival in Space: Medical Problems of Manned Spaceflight |ссылка=https://archive.org/details/survivalinspacem0000hard |место=London |издательство=[[Routledge]] |isbn=0-415-00253-2 |oclc=18744945 |язык=en |автор=Harding, Richard M.}}.</ref>. [[Роберт Бойль]] в [[1660 год]]у первым показал, что вакуум смертелен для мелких животных.

== Измерение ==
{{Main|Измерение давления}}

Степень вакуума определяется количеством вещества, оставшимся в системе. Вакуум, в первую очередь, определяется [[Измерение давления|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 {{nobr|70 нм}}, а при {{nobr|100 мПа}} ({{nobr|~1×10<sup>−3</sup> торр}}) MFP воздуха составляет примерно {{nobr|100 мм}}. Свойства разрежённого газа сильно изменяются, когда длина свободного пробега становится сравнима с размерами сосуда, в котором находится газ.

Вакуум подразделяется на диапазоны в соответствии с технологией, необходимой для его достижения или измерения. Эти диапазоны не имеют общепризнанных определений, но типичное распределение выглядит следующим образом<ref>{{Cite web|author=American Vacuum Society|title=Glossary|work=AVS Reference Guide|url=http://www.aip.org/avsguide/refguide/glossary.html#v|accessdate=2006-03-15|archiveurl=https://www.webcitation.org/6HOaqWvxO?url=http://www.aip.org/avsguide/refguide/glossary.html#v|archivedate=2013-06-15}}</ref><ref>{{Cite web|author=National Physical Laboratory, UK|title=What do 'high vacuum' and 'low vacuum' mean? (FAQ – Pressure)|url=http://www.npl.co.uk/reference/faqs/what-do-high-vacuum-and-low-vacuum-mean-(faq-pressure)|accessdate=2012-04-22|authorlink=National Physical Laboratory, UK|archiveurl=https://www.webcitation.org/6HOarJMBe?url=http://www.npl.co.uk/reference/faqs/what-do-high-vacuum-and-low-vacuum-mean-(faq-pressure)|archivedate=2013-06-15}}</ref>:

{| class="wikitable" style="text-align:left"
! !! Давление ([[Миллиметр ртутного столба|мм рт. ст.]]) !! Давление ([[Паскаль (единица измерения)|Па]])
|-
|[[Атмосферное давление]] || 760 ||  1,013×10<sup>+5</sup>
|-
|Низкий вакуум || от 760 до 25 || от 1×10<sup>+5</sup> до 3,3×10<sup>+3</sup>
|-
|Средний вакуум|| от 25 до 1×10<sup>−3</sup> || от 3,3×10<sup>+3</sup> до 1,3×10<sup>−1</sup>
|-
|Высокий вакуум|| от 1×10<sup>−3</sup> до 1×10<sup>−9</sup> || от 1,3×10<sup>−1</sup> до 1,3×10<sup>−7</sup>
|-
|Сверхвысокий вакуум|| от 1×10<sup>−9</sup> до 1×10<sup>−12</sup> || от 1,3×10<sup>−7</sup> до 1,3×10<sup>−10</sup>
|-
|Экстремальный вакуум|| <1×10<sup>−12</sup> || <1,3×10<sup>−10</sup>
|-
|[[Космическое пространство]]|| от 1×10<sup>−6</sup> до <3×10<sup>−17</sup> || от 1,3×10<sup>−4</sup> до <1,3×10<sup>−15</sup>
|-
|Абсолютный вакуум|| 0 || 0
|}

== Применение ==
[[Файл:Gluehlampe 01 KMJ.jpg|мини|В [[Лампа накаливания|лампочках]] используют низкий вакуум. Колба заполняется газом, обычно [[аргон]]ом, при низком давлении, что защищает [[вольфрам]]овую нить.]]
Вакуум полезен для многих процессов и применяется в разных устройствах. Впервые для массово используемых товаров он был применён в [[Лампа накаливания|лампах накаливания]] с целью защиты нити от [[Реакции разложения|химического разложения]]. [[Химическая инертность]] материалов, обеспечиваемая вакуумом, также полезна для [[Электронно-лучевая сварка|электронно-лучевой сварки]], [[Холодная сварка|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 [[Химическое осаждение из газовой фазы|химического осаждения из газовой фазы]], [[Вакуумное напыление|вакуумного напыления]] и сухого травления, которые применяются в производстве [[Технологический процесс в электронной промышленности|полупроводников]] и оптических покрытий, а также в химии поверхности. Снижение [[Конвекция|конвекции]] обеспечивает теплоизоляцию в [[термос]]ах. Глубокий вакуум понижает [[Температура кипения|температуру кипения]] жидкости и способствует низкой температуре [[Дегазация|дегазации]], которая используется в [[Лиофилизация|сублимационной сушке]], приготовлении [[Клей|клея]], [[Дистилляция|перегонке]], [[Металлургия|металлургии]] и вакуумной очистке. Электрические свойства вакуума делают возможными [[Электронный микроскоп|электронные микроскопы]] и [[Электронная лампа|вакуумные трубки]], включая [[Электронно-лучевые приборы|катодные лучевые трубки]]. [[Вакуумный выключатель|Вакуумные выключатели]] используются в электрических [[Распределительное устройство|распределительных устройствах]]. [[Вакуумный пробой]] имеет промышленное значение для производства определённых марок стали или материалов высокой чистоты. Исключение трения воздуха полезно для накопления энергии [[маховик]]а и [[Ультрацентрифуга|ультрацентрифуг]].

=== Управляемые вакуумом машины ===
Вакуум обычно используется, чтобы произвести [[Сосание|всасывание]], которое имеет ещё более широкий спектр применения. [[Паровая машина Ньюкомена|Паровой двигатель Ньюкомена]] использовал вакуум вместо давления, чтобы управлять поршнем. В XIX веке вакуум был использован для тяги на экспериментальной [[Пневматическая железная дорога|пневматической железной дороге]] [[Брюнель, Изамбард Кингдом|Изамбарда Брунеля]]. Вакуумные тормоза когда-то широко использовались на поездах в Великобритании, но, за исключением [[Историческая железная дорога|исторических железных дорог]], они были заменены [[Железнодорожный тормоз|пневматическими тормозами]].
[[Файл:L-Pumpe2.png|слева|мини|Этот насос мелководной скважины уменьшает давление атмосферы внутри собственной камеры. Разрежение атмосферы расширяется вниз в скважину и заставляет воду течь вверх по трубе в насос, чтобы выровнять пониженное давление. Насосы с наземной камерой эффективны только до глубины около 9 метров за счет веса столба воды, уравнивающего атмосферное давление.]]

Вакуум впускного коллектора можно использовать для того, чтобы управлять вспомогательным оборудованием на автомобилях. Наиболее известное применение — это вакуумный усилитель для увеличения мощности [[Тормозная система|тормозов]]. Ранее вакуум применялся в вакуум-приводах [[Стеклоочиститель|стеклоочистителя]] и [[Топливный насос|топливных насосах]] Autovac. Некоторые авиационные приборы (авиагоризонт и указатель курса) обычно управляются вакуумом, как страховка от выхода из строя всех (электрических) приборов, поскольку ранние самолёты часто не имели электрических систем, и поскольку есть два легкодоступных источников вакуума на движущемся самолете, двигатель и [[трубка Вентури]]. При вакуумноиндукционной плавке применяют электромагнитную индукцию в вакууме.

Поддержание вакуума в [[Конденсатор (теплотехника)|конденсаторе]] важно для эффективной работы [[Паровая турбина|паровых турбин]]. Для этого используется [[паровой инжектор]] или [[водокольцевой насос]]. Обычный вакуум, поддерживаемый в паровом объёме конденсатора на выхлопном патрубке турбины (ещё его называют давление конденсатора турбины), находится в диапазоне от 5 до 15 кПа, в зависимости от типа конденсатора и условий окружающей среды.

=== Дегазация ===
[[Испарение]] и [[Сублимация (физика)|сублимация]] в вакууме называется [[Дегазация|дегазацией]]. Все материалы, твёрдые или жидкие, немного паря́т (происходит газовыделение), и их дегазация необходима, когда давление вакуума падает ниже давления их пара. Парение материалов в вакууме имеет такой же эффект, как натекание, и может ограничить достижимый вакуум. Продукты испарения могут конденсироваться на близлежащих более холодных поверхностях, что может вызвать проблемы, если они покроют оптические приборы или вступят в реакцию с другими материалами. Это вызывает большие трудности при полётах в космосе, где затемнённый телескоп или элемент солнечной батареи может сорвать высокозатратную операцию.

Самым распространённым выделяющимся продуктом в вакуумных системах является вода, поглощённая материалами [[Вакуумная камера|камер]]. Её количество может быть уменьшено сушкой или прогревом камеры и удалением абсорбирующих материалов. Испаряющаяся вода может [[Конденсация|конденсироваться]] в масле [[Пластинчатая гидромашина|пластинчато-роторных насосов]] и резко уменьшить их рабочую скорость, если не используется газобалластное устройство. Высоковакуумные системы должны быть чистыми, в них не должно оставаться органических веществ, чтобы свести к минимуму газовыделение.

Сверхвысокие вакуумные системы, как правило, отжигаются, желательно под вакуумом, чтобы временно повысить испарение всех материалов и выпарить их. После того, как большая часть испаряющихся материалов выпарена и удалена, система может быть охлаждена для уменьшения парения материалов и минимизации остаточного газовыделения во время эксплуатации. Некоторые системы охлаждают существенно ниже комнатной температуры с помощью [[Жидкий азот|жидкого азота]] для полного прекращения остаточного газовыделения и одновременно создания эффекта криогенной откачки системы.

=== Откачка и атмосферное давление ===
Газы вообще нельзя вытолкнуть, поэтому вакуум не может быть создан всасыванием. Всасывание может распространить и разбавить вакуум, позволяя высокому давлению вводить в него газы, но, прежде чем всасывание может произойти, необходимо вакуум создать. Самый простой способ создать искусственный вакуум — расширить объём камеры. Например, мышца диафрагмы расширяет грудную полость, что приводит к увеличению объёма легких. Это расширение уменьшает давление и создаёт низкий вакуум, который вскоре заполняется воздухом, нагнетаемым атмосферным давлением.

Чтобы продолжать опустошение камеры бесконечно, не используя постоянно её увеличение, её вакуумирующий отсек может быть закрыт, продут, расширен снова, и так много раз. Это принцип работы насосов с принудительным вытеснением (газопереносных), например, ручной водяной насос. Внутри насоса механизм расширяет небольшую герметичную полость для создания вакуума. Из-за перепада давления часть жидкости из камеры (или колодца, в нашем примере) вталкивается в маленькую полость насоса. Затем полость насоса герметично закрывается от камеры, открывается в атмосферу и сжимается до минимального размера, выталкивая жидкость.

Приведённое выше объяснение представляет собой простое введение в вакуумирование и не является типичным для всего диапазона используемых насосов. Разработано много вариаций насосов с принудительным вытеснением, и множество конструкций насосов основано на радикально других принципах. Насосы передачи импульса, которые имеют некоторое сходство с динамическими насосами, используемыми при более высоких давлениях, могут обеспечить намного более высокое качество вакуума, чем насосы с принудительным вытеснением. Газосвязывающие насосы, способные захватывать газы в твёрдом или поглощённом состоянии, работают часто без движущихся частей, без уплотнений и без вибрации. Ни один из этих насосов не является универсальным; каждый тип имеет серьёзные ограничения применения. У всех есть трудности с откачкой газов с малой массой молекул, особенно водорода, гелия и неона.

Самое низкое давление, которое может быть достигнуто в системе, кроме устройства насосов, также зависит от многих факторов. Несколько насосов могут быть соединены последовательно в так называемые ступени для достижения более высокого вакуума. Выбор уплотнений, геометрии камеры, материалов и процедур откачки — всё будет иметь эффект. В совокупности всё это называют вакуумной техникой. И иногда, итоговое давление — не единственная существенная характеристика. Насосные системы отличаются масляным загрязнением, вибрацией, избирательной откачкой определённых газов, скоростями откачки, прерывистостью эксплуатации, надёжностью или устойчивостью к высоким скоростям натекания.

В системах со сверхвысоким вакуумом необходимо учитывать некоторые очень «странные» пути натекания и источники парения. Неприемлемым источником испарений становится способность к водопоглощению алюминия и палладия, приходится учитывать даже адсорбционную способность твёрдых металлов, таких как нержавеющая сталь или титан. Некоторые масла́ и смазки будут кипеть при высоком вакууме. Возможно, придётся учитывать влияние кристаллической структуры металла на проницаемость металлических стенок камер, например, параллельность направления зёрен металлических фланцев торцу фланца.

Самые низкие давления, которые в настоящее время достижимы в лабораторных условиях, составляют около 10<sup>−13</sup> торр (13 пПа). Однако, давления ниже, чем 5×10<sup>−17</sup> торр (6,7 фПа) были косвенно измеряемы в криогенной вакуумной системе. Это соответствует ≈100 частиц / см<sup>3</sup>.

== См. также ==
{{викисловарь|вакуум}}
{{кол|3}}
* [[Диэлектрическая проницаемость вакуума]]
* [[Магнитная постоянная|Магнитная проницаемость вакуума]]
* [[Планковское сопротивление|Волновое сопротивление вакуума]]
* [[Поляризация вакуума]]
* [[Вакуумное среднее]]
* [[Вакуумный конденсат]]
* [[Эфир (физика)]]
* [[Теория струн]]
* [[Ничто]]
{{кол|конец}}
'''Применения'''
* [[Вакуумная формовка]]
* [[Электровакуумный прибор|Электровакуумные приборы]] (электронные лампы, [[кинескоп]]ы, [[магнетрон]]ы, [[Фотоэлектронный умножитель|фотоумножители]] и т. д.)

== Примечания ==
{{примечания}}

== Литература ==
* {{книга
 |автор         = Борисов В.П.
 |ссылка часть  = http://www.vacuum.ru/file/misc/borisov/vacuum
 |заглавие      = Вакуум: от натурфилософии до диффузионного насоса
 |место         = М.
 |издательство  = НПК «Интелвак»
 |год           = 2001
 |ref           = Борисов
}}
* {{книга|заглавие=Научные основы вакуумной техники|место=М.|год=1964}}
* {{книга|автор=Грошковский Я.|заглавие=Техника высокого вакуума|место=М.|год=1975}}
* {{книга|заглавие=Основы вакуумной техники. 2-е изд|место=М.|год=1981}}
* {{книга|автор=Розанов Л. И.|заглавие=Вакуумная техника. 2-е изд|место=М.|год=1990}}
* {{статья|автор=[[Окунь, Лев Борисович|L. B. Okun]]|заглавие=On the concepts of vacuum and mass and the search for higgs|ссылка=http://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/S0217732312300418|язык=en|издание=[[Modern Physics Letters A]]|год=2012|volume=27|pages=1230041|doi=10.1142/S0217732312300418|arxiv=1212.1031}}
* ''Крамер Д. и др.'' Точные решения уравнений Эйнштейна. М.: Мир, 1982. — 416 с.
* {{Книга:Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М.: Теория поля|1988}}
* ''Паули В.'' Теория относительности. М.: Наука, 1991
* ''Гриб А. А.'' Проблема неинвариантности вакуума в квантовой теории поля. М.: Атомиздат, 1978

{{внешние ссылки}}
[[Категория:Вакуум| ]]