вакуум природа что такое
Что такое вакуум и где мы его используем
Анна Веселко
В самом строгом смысле вакуум — это область пространства, в которой полностью отсутствует материя. Этот термин представляет собой абсолютную пустоту, и главная его проблема заключается в том, что он описывает идеальное состояние, которое не может существовать в реальном мире. Еще никто не нашел способа создать идеальный вакуум такого типа в земных условиях, и по этой причине термин также используется для описания пустых областей космоса. Но вакуум все же есть и в областях, находящихся чуть ближе к нашей повседневной жизни. Рассказываем, что это такое, простыми словами.
Ни один вакуум, производимый на Земле, даже близко не подходит к этому условию
Поскольку удалить все молекулы воздуха из контейнера практически невозможно, невозможно добиться и идеального вакуума
В промышленных и домашних масштабах (например, если вы решили убрать в вакуумные пакеты зимний пуховик) эффект достигается за счет вакуумных насосов или генераторов разных размеров, которые и удаляют воздух. Насос, состоящий из поршня в цилиндре, прикреплен к закрытой емкости, и с каждым ходом насоса часть газа из баллона удаляется. Чем дольше работает насос, тем лучше создается разрежение в емкости.
Уровень вакуума можно измерить несколькими типами манометров:
Манометр с трубкой Бурдона является компактным и наиболее широко используемым устройством — измерение основано на деформации изогнутой эластичной трубки при приложении вакуума к отверстию манометра.
Манометр с трубкой показывает разницу между двумя давлениями. В простейшем виде этот манометр представляет собой прозрачную U-образную трубку, наполовину заполненную ртутью. Когда оба конца трубки находятся под атмосферным давлением, уровень ртути в каждом колене одинаков. Приложение вакуума к одной стороне заставляет ртуть в ней подниматься и опускаться с другой стороны — разница в высоте между двумя уровнями и показывает уровень вакуума.
Вакуум природа что такое
Вакуум представляет собой сложный физический объект, в котором непрерывно происходит рождение и уничтожение виртуальных частиц (материализованных порций энергии). Вакуум является динамической системой, обладающей некоторой энергией, которая все время перераспределяется между виртуальными (воображаемыми) частицами.
Пары достаточно быстро, хотя и не в катастрофическом темпе, могут рождаться и в более слабых полях. Поэтому достижение полей, например с E0 ≅10 14 В/см уже позволило бы, вероятно, наблюдать рождение пар в вакууме.
Вакуум поляризуется не только сильным электрическим полем, но и магнитным полем, причем характерное значение напряженности магнитного поля Н0 такое же, как и для электрического поля Е0. В магнитном поле с напряженностью более Н0 вакуум ведет себя подобно нелинейной анизотропной среде и сильно влияет на распространение электромагнитных волн.
Второй постулат состоит в том, что нулю равна и суммарная масса свертки. Это следствие закона сохранения массы-энергии при образовании свертки ее масса преобразуется в энергию пары гамма-квантов. Акимов предложил называть эту квантовую систему, имеющую нулевые значения массы, заряда и спина, фитоном. Заметим, что предсказание о неизбежности взаимной аннигиляции электрона и позитрона при их встрече следует из релятивистской теории Дирака.
Существование торсионных полей еще в 1922 г. постулировал Э. Картан. Однако в его теории не учитывались спиновые эффекты и, кроме того, его уравнения не содержали угловых координат. Поэтому он не смог правильно оценить константу этих взаимодействий. Эта задача была в 1980-х годах решена Г.И. Шиповым, который разработал теорию физического вакуума, используя геометрию ученика Г. Римана Ричча, содержащую угловые координаты. Теория Шипова не содержит ограничений на величину константы торсионных взаимодействий. Факт существования в природе этого нового типа полей к настоящему времени подтвержден в многочисленных экспериментах.
Эксперименты по рождению частиц из физического вакуума показывают, что их массы, заряды, спины или какие-либо другие физические характеристики относительны, появляются и исчезают в процессах рождения из вакуума или ухода в вакуум. В теории физического вакуума эти характеристики определяются через риманову кривизну пространства. Имеется гипотеза о том, что пространство-время может иметь внутреннюю дискретную микроскопическую структуру, поля расслоений описывают дефекты в этой структуре. Эти структуры задают состояние физического вакуума, их называют вакуумными конденсатами.
Работа представлена на научную конференцию с международным участием, Москва-Барселона, 7-14 июля 2006г. Поступила в редакцию 05.06.2006 г.
Вакуум: основные понятия, определения и типы вакуума
Вакуум понятие относительное. Учеными доказано, что абсолютного вакуума не существует. Есть несколько понятий вакуума и его интерпретаций.
Что такое вакуум
Ва́куум с латинского «vacuum» обозначает пустой, т.е. это пустое пространство. Но создать пустое пространство невозможно. Поэтому принято считать вакуумом объем, в котором почти нет никаких веществ. Количество молекул в вакууме находится в таком небольшом количестве, что может достигать нескольких десятков.
Из-за малого количество молекул, их внутренняя энергия или импульсы стремятся к нулю. Поэтому считается, что в вакууме практически отсутствуют различные процессы, такие как электрический ток, трение и прочее.
В физике ва́куум – это пространство с газом, давление которого ниже атмосферного давления. Другими словами, это разряжение.
Качество вакуума или его глубина измеряется давлением. А точнее, отношением длины свободного пробега частицы к линейным размерам емкости, в которой он создан. С увеличением степени разряжения уменьшается число столкновений молекул в пространстве. Длина свободного пробега частиц увеличивается и зависит только от размеров сосуда, со стенками которого они сталкиваются. Следовательно, вакуумом можно назвать состояние, когда частицы газа, находясь в определенном объеме, не соприкасаются друг с другом.
Основная единица измерения вакуумного давления – Па. Но паскаль достаточно большая величина для измерения разряжения, поэтому в физике часто используются другие величины, такие как бар, мм.рт.ст., торр, физическая атмосфера.
Соотношение единиц измерения вакуума в физике.
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРИРОДЕ ВАКУУМА
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРИРОДЕ ВАКУУМА
Можно утверждать, что во всей современной фундаментальной науке одной из самых сложных и вместе с тем исключительно важной является проблема вакуума. По сложности она не уступает проблеме исследования свойств и структуры вещества.
Отказ от представлений о вакууме, как о пустоте является концептуальным положением современной физики. Внедрение в сознание студентов этого положения можно осуществить, используя исторический аспект, показывая, как основные положения учения о вакууме постепенно формировались у основоположников современной физики.
Интуитивно люди всегда не воспринимали идею абсолютной пустоты. Поэтому, когда экспериментально были обнаружены электромагнитные волны, то был введен в обращение эфир, заполняющий все мировое пространство. Электромагнитное поле стало рассматриваться как следствие возмущения эфира. Однако эксперимент и теория не подтверждали существование эфира.
Затем одновременно с созданием квантовой теории электромагнитного поля и электромагнитных взаимодействий было введено понятие физического вакуума как «моря» виртуальных частиц. Эта идея была предложена Дираком как вариант объяснения одного из решений квантовомеханического волнового уравнения. Частицы этого «моря» полностью заполняют все энергетические уровни в области отрицательных энергий и поэтому в обычных условиях ничем не заявляют о своем существовании. Но в настоящее время идея Дирака представляет лишь исторический интерес и не применяется в теории вакуума.
Физический вакуум всегда определялся как наинизшее энергетическое состояние квантовых полей. Каждому виду микрочастиц согласно квантовой теории соответствует свое волновое поле. Каждая элементарная частица соответствует возбужденному состоянию соответствующего поля.
Так как те скалярные поля, которые используются при построении теории вакуума, не принято изучать в курсах общей физики, и тем более в школе, то, в качестве примера, будет уместным при объяснении материала о вакууме сослаться на знакомое многим аналогичное понятие. В данном случае можно вспомнить о том скалярном потенциале, который связан с напряжением в цепи электрического тока.
Хорошо известное электрическое поле появляется в окружающем пространстве только тогда, когда этот скалярный потенциал неодинаков в разных точках пространства, или если он изменяется со временем. (Вектор напряженности электрического поля определяется через градиент скалярного потенциала.) Если бы в любой точке Вселенной электростатический потенциал был одним и тем же, то никто не смог бы обнаружить указанное скалярное поле. Для неподготовленного человека это поле воспринималось бы просто как иное состояние пустоты, или как состояние вакуума.
Скалярные поля, которые определяют вакуум, заполняют Вселенную и проявляют себя тем, что могут воздействовать на свойства элементарных частиц.
Основная идея, лежащая в процедуре динамической генерации массы, заключается в предположении, что скалярные поля являются нелинейными. Если поле нелинейное, то оно способно взаимодействовать само с собой.
Пояснить нелинейный характер поля можно на примере гравитационного поля. Согласно классической теории тяготения Ньютона гравитационное поле нескольких массивных тел равно сумме гравитационных полей, создаваемых каждым телом в отдельности. Но в соответствии с общей теорией относительности при вычислении такого гравитационного поля нужно еще учесть и гравитационную энергию их взаимного притяжения. Но эта энергия зависит от взаимного расположения масс и меняется при их движении. Этим объясняется нелинейный характер гравитационного поля, которое на самом деле не равно сумме полей, создаваемых каждой массой в отдельности, а является сложной функцией положений и скоростей всех масс.
В настоящее время утверждается идея, что вакуум является характеристикой самого пространства-времени. Принято считать, что сложная структура физического вакуума определяется слоистой геометрией пространства-времени, причем пространство-время может иметь внутреннюю дискретную микроскопическую структуру.
Можно отметить, что скалярные поля определяют энергетические характеристики взаимодействий, тогда как векторные поля характеризуют силовые величины взаимодействий, и именно они ответственны за расслоение пространства-времени.
Исследования взаимодействий элементарных частиц показало, что при электромагнитных взаимодействиях совокупность соответствующих слоев пространства-времени способна находиться в недеформированном состоянии. При слабых и сильных взаимодействиях соответствующие слоистые структуры пространства-времени деформируются, причем, деформированное состояние этих структур является энергетически выгодным.
Одним из основных постулатов физики микромира является принцип неопределенности. В соответствии с этим принципом для квантовых полей можно использовать представление о нулевых колебаниях. Нулевые колебания существуют в каждой точке пространства и могут взаимодействовать с любыми элементарными частицами. Например, в опытах Лэмба и Резерфорда сдвиг энергетических уровней электронов в атомах водорода как раз и обусловлен взаимодействием электронов с нулевыми колебаниями вакуума.
Разные состояния квантовых силовых полей вследствие суперпозиции могут непрерывно переходить друг в друга. Эти переходы сопровождаются мощными квазилокализованными флуктуациями большой амплитуды. Флуктуации непрерывно рождаются и исчезают, но среднее число их в каждой области пространства и в каждый момент времени остается неизменным. Такие состояния слоистых структур возникают даже в тех областях пространства, где нет материи в обычном понимании. Они имеют определенные энергетические характеристики. Эти структуры называют вакуумными конденсатами.
Конденсат скалярного поля – это специальный термин, который появился в физике после создания квантовой теории поля.
Что скрывается за этим термином, можно пояснить, если рассмотреть образование бозонного конденсата.
Все элементарные частицы можно разбить на две большие группы, различающиеся по величине спина. Одни частицы обладают полуцелым спином и называются фермионами, а другие обладают целым спином и называются бозонами.
В отличие от фермионов, для которых справедлив принцип Паули, взаимодействующие бозоны стремятся занять одно положение в фазовом пространстве и обладать одинаковыми энергетическими характеристиками. В этом случае физики говорят об образовании бозонного конденсата.
По всем основным характеристикам конденсат скалярного поля подобен вакууму виртуальных частиц, и поэтому он называется состоянием вакуума скалярного поля.
Важно отметить, что исследования вакуумных конденсатов связаны с ответом на вопрос о природе масс нуклонов.
Вакуумные флуктуации, которые в обычных условиях нестабильны, могут быть стабилизированы при взаимодействии с кварковыми конфигурациями. В результате такой стабилизации образуются реальные барионы и мезоны. В итоге можно сказать, что все частицы материи приобретают свои массы за счет взаимодействия с вакуумным конденсатом и что вакуум можно считать системой, порождающей материю. Частицы можно рассматривать как возбуждения вакуума.
В качестве подтверждения этого положения можно привести следующие рассуждения. В состав нуклонов, как известно, входят по три кварка типа u и d. Если подсчитать суммарную массу трех кварков типа u и d, то получим величину, которая составляет не более 2 % от массы нуклона. В то же время, согласно экспериментальным исследованиям внутренней структуры нуклонов, на энергию движения кварков внутри нуклонов приходится менее половины массы нуклона. Поэтому получается, что энергия, затраченная на перестройку вакуума, составляет почти половину массы нуклона. Следовательно, напрашивается вывод о том, что действительно структура вакуума определяет природу массы нуклонов. Для пи-мезона эта энергия составляет почти всю его массу. Это объясняется тем, что пи-мезон рассматривается как квантовая волна в вакуумном конденсате.
Можно сказать, что масса \(W^<\pm>\) и \(Z^<\circ>\) бозонов определяется их взаимодействием с одной из подсистем вакуума, известной как хиггсовский конденсат. В 1964 году шотландский физик Питер Хиггс предположил, что существует некое не известное тогда науке скалярное поле. П. Хиггс впервые предложил ввести в теорию представление о спонтанном нарушении вакуумной симметрии. Хиггсовский конденсат соответствует деформации пространственно-временных слоев и имеет определенные энергетические характеристики.
Квантами волнового возбуждения хиггсовского конденсата являются хиггсовские бозоны.
Нужно отметить, что хиггсовский конденсат не является единственной подсистемой, определяющей свойства вакуума. Кроме хиггсовского конденсата имеется еще одна подсистема, которая называется кварк-глюонным конденсатом. Кварк-глюонный конденсат – это система сильно взаимодействующих кварковых и глюонных флуктуаций. Глюонный конденсат порождается флуктуирующим глюонным полем. В свою очередь, глюонный конденсат индуцирует появление кваркового конденсата, и при этом из вакуума извлекаются сильно взаимодействующие и сильно скоррелированные между собой кварковые флуктуации. В итоге образуется кварк-глюонный конденсат как совокупность всех этих кварковых и глюонных вакуумных флуктуаций.
Обе вакуумные подсистемы – хиггсовский конденсат и кварк-глюонный конденсат – вносят примерно одинаковый вклад в величину массы нуклона.
В настоящее время развертывается экспериментальный поиск хиггсовского бозона. Уровень наших знаний о природе вакуума вселяет уверенность, что скалярные частицы, свойства которых напоминают свойства хиггсовских бозонов, будут открыты.
Можно добавить, что в связи с последними наблюдательными открытиями в космологии теперь широко проводятся актуальные исследования также и космического вакуума. Материал о космическом вакууме непременно должен рассматриваться как составная часть учения о вакууме.
Литература
1. Латыпов Н.Н., Бейлин В.А., Верешков Г.М. Вакуум, элементарные частицы и Вселенная. – М.: Изд-во МГУ, 2001. – 232 с.
2. Клапдор-Клайнгротхауз Г.В., Цюрбер К. Астрофизика элементарных частиц. – М.: Изд. ред. журн. УФН, 2000. – 495 с.
3. Архангельская И.В., Розенталь И.Л., Чернин А.Д. Космология и физический вакуум. – М.: КомКнига, 2006. – 216 с.
4. Сажин М.В. Современная космология в популярном изложении. – М.: Едиториал УРСС, 2002. – 240 с.
Теории и вакуумы
Важной концепцией, играющей большую роль в современном понимании Вселенной являются вакуумы, или vacua по-латыни, множественная форма слова «вакуум».
Вы, возможно, знаете, что физики называют вакуумом пустое пространство, в котором ничего нет — ни воздуха, ни даже залётных элементарных частиц. Но тогда есть нечто странное в идее вакуума во множественном числе. Явно к этому понятию добавлено ещё что-то! Именно это я и попытаюсь объяснить.
Теория может предложить описание пустого пространства
Для начала позвольте напомнить вам о том, что такое теория в физике. Это не рассуждения и не идея; это нечто более определённое. Теория — это набор уравнений и сопутствующих концепций, позволяющий учёным делать предсказания поведения физических объектов. Некоторые теории должны описывать реальный мир; большинство теорий описывают воображаемые миры; но любая разумная теория делает согласованные предсказания и описывает аспекты возможного мира.
Поле — это образование, способное иметь значение в любой точке пространства в любой момент времени. В повседневной жизни нам встречается поле в виде температуры воздуха — в любой момент времени в любом месте можно измерить температуру, и если вы знаете температуру во всём пространстве, вам известно температурное поле в этот момент. Но этот пример для нас не подходит, поскольку температура воздуха имеет смысл при наличии воздуха, а в пустом пространстве температурное поле бессмысленно.
Более хорошим примером будет электрическое поле (отвечающее за молнии, статическое прилипание и электрические токи в проводах). Электрическое поле — элементарное поле природы, существующее даже в пустом пространстве. То же верно для всех элементарных полей природы, включая W-поле, электронное поле, мюонное поле, и т.п., включая и ныне знаменитое поле Хиггса.
Вакуум против вакуума
Так что когда мы говорим о пустом пространстве, мы имеем в виду пространство, наиболее пустое по возможности. В каком-то смысле оно пустое, поскольку в нём нет частиц, даже частиц света (фотонов). А частицы — это долгоживущие и просто ведущие себя возмущения полей. Но в каком-то смысле оно не пустое, из-за электрического поля, W-поля, поля Хиггса, всё время там присутствующих! Вакуум не определишь простым словосочетанием «пустое пространство», поскольку нам необходимо не только сказать, что в нём нет частиц, нам также необходимо сказать, что именно делают в этом пустом пространстве поля. То есть, нам необходимо определить конфигурацию полей в этом вакууме.
В определённом вакууме поля могут быть настроены таким образом, что у большинства из них среднее значение будет нулевым. В среднем, потому что квантовые флуктуации гарантируют небольшое дрожание значений. Но некоторые из них могут не быть в среднем нулевыми. Это верно и для нашего вакуума — все поля в среднем нулевые, кроме поля Хиггса, чьё среднее значение ненулевое и постоянное по всей видимой части Вселенной (за исключением квантового дрожания). Это очень важно! Известный нам мир нельзя было бы узнать, если бы среднее значение поля Хиггса было бы нулевым — нас бы в нём вообще не было.
Во вселенной может быть несколько разных вакуумов. То есть, пространство может быть максимально пустым несколькими способами — есть больше одного способа настроить поля вселенной даже в отсутствии любых частиц. Точно так же теория, описывающая вселенную, может предсказывать наличие более одного вида вакуума. Пример такой теории — Стандартная Модель, уравнения, используемые для описания и предсказания поведения известных элементарных частиц и взаимодействий природы (не включающая более загадочные элементы: гравитацию, тёмную материю и тёмную энергию). Сейчас, после того, как мы измерили массу частицы Хиггса, нам известно, что Стандартная Модель предсказывает два разных вакуума — в одном из них поле Хиггса имеет наблюдаемое нами значение, а в другом оно гораздо больше. В общем, теория предсказывает возможность существования двух очень разных способов поведения пустого пространства.
Рис. 1
Но давайте кое-что уточним. Теория под названием Стандартная Модель предсказывает это для воображаемой вселенной, описываемой Стандартной Моделью. Мы пока не знаем из экспериментов, описывает ли Стандартная Модель реальную вселенную — то есть, являются ли воображаемая вселенная Стандартной Модели и реальная Вселенная, в которой мы живём, достаточно схожими для того, чтобы предсказания Стандартной Модели (теория) совпадали со всеми результатами всех экспериментов (данные). Следовательно, нам неизвестно, есть ли в реальном мире два предсказываемых Стандартной Моделью вакуума.
Вакуум похож на дно чаши
Опишу одно из основных свойств вакуума. То же свойство позволяет шарику покоиться на дне чаши.
Рис. 2
Дно чаши — стабильное для шарика положение. Если переместить шарик на небольшое расстояние в любом направлении, он скатится обратно, немного подрожит, и затем сила трения остановит его на самом дне. Когда вы сдвигаете шарик на небольшое расстояние от дна, его энергия (взаимодействия с гравитацией Земли) увеличивается, а у него существует тенденция к уменьшению этой энергии через возврат к начальной точке, где энергия гравитации наименьшая. Стабильное положение — такое, в котором любой сдвиг шарика увеличивает его энергию, или, по крайней мере, не уменьшает её. Соответственно, если вы сможете сдвинуть шарик так, чтобы уменьшить его энергию, шарик будет катиться в том направлении и не обязательно вернётся — в этом случае начальная тока стабильным положением не будет.
По определению вакуум является стабильной конфигурацией полей вселенной и самого космоса». Если кто-нибудь немного изменит значения полей в вакууме, то значения полей будут стремиться к возвращению в начальное положение, затем немного подрожат вокруг него и успокоятся. Вакуум — это конфигурация полей, для которой энергия вселенной минимальна; любое малое изменение полей ведёт к увеличению (или, по крайней мере, не ведёт к уменьшению) энергии вселенной, и поля всегда будут стремиться к возвращению к их значениям в вакууме.
Рис. 3: разные чаши с разными стабильными положениями для шарика
Вернёмся к шарику. Можно представить ситуацию, в которой у меня есть две одинаковые чаши, у каждой из которых есть стабильное положение для шарика. Или можно представить чашу странной формы с двумя разными стабильными положениями на разных высотах. Или можно представить гораздо более сложную чашу со множеством стабильных положений. Можно представить, как мы кладём шарик в одно из различных положений, отмеченных на рис. 3 стрелками, и он остаётся там неопределённое время, поскольку любого малого сдвига положения шарика будет недостаточно для того, чтобы переместить его от одного стабильного положения до другого (эффект квантового туннелирования усложняет такую ситуацию, но о нём мы расскажем в следующий раз).
Точно так же у Вселенной может быть — или теория вселенной может предсказать существование — более одной стабильной конфигурации полей, то есть, более одного вакуума. Количество возможных вакуумов никто не ограничивает, хотя у простых теорий обычно их бывает довольно мало. Только у теорий с множеством типов полей обычно бывает множество вакуумов. Получается, что вопрос, пусть и не напрямую, связан с тем, сколько типов полей есть в нашей Вселенной? Только известные нам? Или их тысячи?
Есть ли у нашей Вселенной множество вакуумов?
Как получается, что Стандартная Модель предсказывает, что в нашей Вселенной есть два вакуума? Во-первых, просто показать (если знать, как вести подсчёты), что у каждого элементарного поля в Стандартной Модели, за исключением поля Хиггса, должно быть нулевое среднее значение в любом вакууме. Но поле Хиггса не такое; оно может обладать и обладает ненулевым средним значением в известном нам вакууме, и может обладать им в любом другом возможном вакууме. Чтобы узнать, каковы стабильные значения для поля Хиггса, мы подсчитываем энергию пустого пространства в виде функции от среднего значения поля Хиггса. Что интересно, на сегодня физики могут делать весьма подробные расчёты, поскольку они уже:
• точно измерили массу верхнего кварка,
• открыли частицу Хиггса (которой, если верить Стандартной Модели, бывает всего одна разновидность), и
• измерили массу частицы Хиггса.
В результате они приходят к выводу, сходному с тем, что изображено на рис. 4. Как и у двойной чаши в середине рис. 3, у которой есть два стабильных положения, где любое движение шарика увеличивает его энергию, у энергии поля Хиггса Стандартная Модель предсказывает два минимума. Это означает, что существует два вакуума, указанные стрелочками на рис. 4, со свойствами, указанными на рис. 1: один известный нам вакуум, с довольно малым значением поля Хиггса, другой, экзотический вакуум, с большим значением.
Точное расположение и глубина (значение поля Хиггса и энергия пустого пространства) экзотического вакуума — вопрос открытый. Они очень сильно зависят от масс верхнего кварка и частицы Хиггса, наше понимание которых всё ещё может испытывать небольшие, но критичные изменения на основании данных Большого адронного коллайдера. Рис. 4 показывает текущую наилучшую догадку, где у нашего вакуума энергия больше, чем у экзотического.
Рис. 4
Но нужно всегда помнить, что Стандартная Модель может и не описывать нашу Вселенную достаточно хорошо для того, чтобы все эти выводы были верны. Нам уже известно, что Стандартная Модель не учитывает гравитацию, тёмную материю и тёмную энергию; она может не учитывать целый вагон неизвестных частиц. Могут даже существовать другие типы частицы Хиггса. Соответственно, мы пока ничего с уверенностью не знаем. В нашей вселенной может быть только один вакуум, или три, сотня, или гораздо больше. Изучение вакуумов вселенной остаётся областью активных исследований, которые в принципе могут продолжаться столетиями.