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.
Когда возникла идея объединения электромагнитного и слабого взаимодействий, то, несмотря на очевидное различие между фотонами и квантами поля слабых взаимодействий, то есть массивными бозонами \(W^{\pm>\) и \(Z^{\circ>\) , физикам пришлось ввести особые скалярные поля. К скалярным полям относятся такие поля, квантами которых являются частицы со спином нуль.
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.
При построении теории единого поля, которое ответственно за электрослабое взаимодействие, было принято, что первоначально все частицы были легкими, и не существовало фундаментальных различий между слабыми и электромагнитными взаимодействиями. Различие между ними теоретически возникает на следующей стадии, когда при расширении Вселенной, последовавшем после Большого Взрыва, она заполняется разными скалярными полями. Процесс, в результате которого фундаментальные силы становятся различными по величине, называется спонтанным нарушением симметрии. При этом имеет место механизм динамической генерации масс элементарных частиц. Согласно этому механизму, взаимодействуя с частицами \(W^{\pm>\) и \(Z^{\circ>\) , скалярные поля делают их тяжелыми. Наоборот, фотоны, которые не взаимодействуют со скалярными полями, остаются «легкими».
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.
Источник
Вакуум
Ва́куум (от лат. vacuum — пустота) — состояние материи в отсутствии вещества. Также его иногда называют безвоздушным пространством, хотя это и неверно. Следует различать понятия физического вакуума и технического вакуума.
Термин «ва́куум», как правило, используется для обозначения области пространства, в котором давление меньше атмосферного. Атмосферное давление обычно выражается в миллиметрах ртутного столба и над уровнем моря приблизительно равно 760 мм рт. ст., что составляет 1 стандартную атмосферу.
Технический вакуум [ править | править код ]
Применяется обычно к газу, заполняющему ограниченный объём. В макроскопических объёмах идеальный вакуум недостижим на практике, поскольку при конечной температуре все материалы обладают ненулевой плотностью насыщенных паров. Кроме того, многие материалы (в том числе толстые металлические, стеклянные и иные стенки сосудов) пропускают газы. В микроскопических объёмах, однако, достижение идеального вакуума в принципе возможно.
На практике сильно разреженный газ называют техническим вакуумом. Строго говоря, техническим вакуумом называют газ в сосуде или трубопроводе с давлением ниже, чем в окружающей атмосфере. Согластно другому определению, когда молекулы, или атомы газа перестают сталкиваться друг с другом, и газодинамические свойства сменяются вязкостными (при давлении около 1 Торр) говорят о достижении низкого вакуума. Обычно низковакуумный насос стоит между атмосферным воздухом и высоковакуумным насосом, создавая предварительное разряжение, поэтому низкий вакуум часто называют форвакуум. При дальнейшем понижении давления в камере, увеличивается средняя длина свободного пробега λ молекул газа. При λ >> d, где d — размеры камеры, молекулы газа уже не сталкиваются друг с другом, а свободно перемещаются от стенки до стенки, в этом случае говорят о высоком вакууме(10 -5 Торр). Сверхвысокий вакуум соответствует давлению 10 -9 Торр и ниже. Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже, в дальнем же космосе и вовсе может достигать 10 -30 Торр и ниже.
Высокий вакуум в микроскопических порах некоторых кристаллов достигается при атмосферном давлении, что связано именно с длиной свободного пробега газа.
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.
Стоит отметить, что 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.
Физический вакуум [ править | править код ]
Под физическим вакуумом в современной физике понимают полностью лишённое материи пространство. Даже если бы удалось получить это состояние на практике, он не был бы 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, а также в теории могут существовать несколько различных вакуумов, различающихся плотностью энергии, и т. д.
Некоторые из этих предсказаний теории поля уже были успешно подтверждены экспериментом. Так, эффект Казимира [источник?] 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 (так называемых ложных вакуумов) является одним их главных основ инфляционной теории Большого взрыва.
Источник
Что такое вакуум и где мы его используем
В большинстве случаев вакуум — это емкость, из которой максимально удалены все газы, в том числе воздух. Космическое пространство, действительно, наиболее близко к идеальному вакууму: астрономы считают, что пространство между звездами в некоторых случаях состоит не более чем из одного атома или молекулы на кубический километр .
Ни один вакуум, производимый на Земле, даже близко не подходит к этому условию
Чтобы поговорить о «земном вакууме», необходимо вспомнить о давлении. Давление возникает в результате воздействия молекул в газе или жидкости на их окружение, обычно на стенки вмещающего сосуда, будь то бутылка газировки или ваша черепная коробка. Величина давления зависит от силы ударов, которые молекулы «наносят» по определенной территории, и измеряется в «ньютонах на квадратный метр» — эта единица измерения имеет специальное название «паскаль» .
Соотношение между давлением (p), силой (F) и площадью (A) определяется следующим уравнением: p = F / A — оно применимо независимо от того, низкое ли давление, как, например, в космосе, или же очень высокое, как в гидравлических системах .
В целом, несмотря на то что определение вакуума неточно, обычно под ним понимается давление ниже, а часто и значительно ниже атмосферного. Вакуум образуется при удалении воздуха из замкнутого пространства, в результате которого возникает перепад давления между этим пространством и окружающей его атмосферой. Если пространство ограничено подвижной поверхностью, атмосферное давление будет сжимать ее стенки вместе — величина удерживающей силы зависит от площади поверхности и уровня вакуума . По мере удаления все большего количества воздуха перепад давления увеличивается, и потенциальная сила вакуума также становится больше.
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.
Каждый, кто когда-либо откачивал воздух из пакета для хранения одежды, отжимал крышку пластикового контейнера, чтобы выпустить воздух из емкости, или ставил банки (а также ходил на вакуумный массаж), сталкивался в своей жизни с вакуумом. Но, конечно, самый распространенный пример его использования — это обычный бытовой пылесос . Вентилятор пылесоса постоянно удаляет воздух из канистры, создавая частичный вакуум, а атмосферное давление снаружи пылесоса выталкивает воздух в канистру, забирая с собой пыль и грязь, взбалтываемые щеткой в передней части пылесоса.
Еще один пример — это термос . Термос состоит из двух бутылок, вложенных друг в друга, и пространство между ними представляет собой вакуум. В отсутствие воздуха тепло не проходит между двумя бутылками так легко, как это было бы в нормальном состоянии. В результате горячие жидкости внутри контейнера сохраняют тепло, а холодные жидкости остаются холодными, потому что тепло не может в них проникнуть.
Итак, уровень вакуума определяется перепадом давления между внутренним пространством и окружающей атмосферой . Двумя основными ориентирами во всех этих измерениях являются стандартное атмосферное давление и идеальный вакуум. Для измерения вакуума можно использовать несколько единиц, но общепринятая метрическая единица — миллибар , или мбар . В свою очередь, атмосферное давление измеряется барометром , который в простейшем варианте состоит из откачанной вертикальной трубки с закрытым верхним концом и нижним концом, находящимся в контейнере со ртутью, открытом для атмосферы.
Давление атмосферы действует на открытую поверхность жидкости, заставляя ртуть подниматься в трубку. «Нормальным» атмосферным давлением называется давление, равное весу ртутного столба высотой 760 мм, находящегося при температуре 0.0 °C, на широте 45° и на уровне моря .
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.
Электронным аналогом является вакуумный датчик . Вакуум или давление отклоняют эластичную металлическую диафрагму в датчике, и это отклонение изменяет электрические характеристики взаимосвязанной схемы — в итоге мы получаем электронный сигнал, который представляет уровень вакуума.
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.
На шкалах большинства манометров ❓ Приборы для измерения давления газа и жидкостей в замкнутом пространстве. атмосферному давлению присвоено нулевое значение, следовательно, измерения вакуума всегда должны быть меньше нуля .
Источник
Что такое вакуум и могла ли Вселенная появиться из пустоты?
Полнейшая пустота, ничто. Это как? Не так-то просто это представить. А существует ли вообще абсолютная пустота? Уже даже в межзвёздном пространстве вакуум такой, который физики не могут достичь в лабораторных условиях в виду того, что невозможно до такой степени выкачать вещество из камеры, но это далеко не абсолютная пустота, поэтому давайте сразу пойдём дальше – в межгалактическое пространство. Здесь вещества ещё меньше, но это по-прежнему не абсолютно пустое пространство, которое мы хотим понять, поэтому двигаемся в области между скоплениями галактик. Казалось бы, вот она, пугающая беспросветная пустота. Но даже здесь на каждый кубический метр пространства найдётся хотя бы один атом, хотя этот атом за миллиарды лет может ни разу не столкнуться ни с одним другим. Что ж, пусть это и будет той самой пустотой. Во всяком случае здесь мы можем представить, что этого одинокого атома просто нет.
Самое интересное заключается в том, что даже если в объёме пространства нет никакого вещества, вакуум, как выясняется, не является ничем. Физики называют это явление минимальным состоянием энергии. Дело в том, что тут полноправно царит квантовая механика. Даже в самом «пустом» вакууме постоянно рождаются и умирают так называемые виртуальные частицы, получившие это наименование из-за своего свойства появляться и исчезать буквально за одно мгновение. Всегда рождаются пары частиц: протон-антипротон, электрон-позитрон и так далее. Дело в том, что, появившись, эти частицы не могут «закрепиться», набрав массу и энергию, так как их буквально нет в этом объёме пространства. То есть всё, что только можно было «выжать» из этой пустоты, чтобы попытаться стать веществом, эти виртуальные частицы взяли, но тут же отдали. Получается, что даже самый пустой вакуум постоянно флуктуирует в попытке создать вещество являя собой, как выразился отечественный астроном Владимир Сурдин, «кипящую пустоту».
Собственно, есть идея, что такое «кипение» и привело к рождению нашей Вселенной, в виду того, что вакуум той эпохи имел энергию несколько бóльшую, чем в наше время, и достаточную для того, чтобы в какой-то момент сконцентрироваться и запустить цепную реакцию по созданию вещества и излучения. Получается, всё, что сейчас существует, включая нас, может быть результатом «выкипания» первичного вакуума. Таким образом, Вселенная постоянно активна и пытается создавать вещество из того, что нам кажется абсолютной пустотой. Разве это не потрясающе? Я обязательно буду и дальше рассказывать о самом интересном, так что подписывайтесь на канал, а также канал в Telegram , уютный чатик для дискуссий на научные темы и канал в YouTube , над которым я работаю. Спасибо, что читаете.
Источник