Är ett vakuum verkligen ingenting?

Häromdagen ställde någon den här frågan till mig: "Eftersom det inte finns något i ett vakuum borde det vara absolut noll, eller hur? Genererar ett lätt vakuum hög temperatur?"

Innan du svarar på denna fråga är det viktigt att klargöra vad ett vakuum är.

Är ett vakuum verkligen ingenting? Seriöst, du kan verkligen missförstå det!

01
Finns det en djävul i vakuumet?

Vakuum betyder ursprungligen "utrymme utan materia", och ordet vakuum kommer från det latinska adjektivet vacuus, som ser ganska grafiskt ut: bokstaven u ser ut som en behållare, och två u i rad betonar tomhet. För övrigt finns det bara ett fåtal ord på engelska som innehåller två u i rad, vilket är speciellt.

Aristoteles i antikens Grekland hade föreslagit att ett vakuum inte kunde existera. På medeltiden föreslogs ett tankeexperiment: man ansåg att när två platta plattor snabbt separerades borde det finnas ett vakuum mellan dem – om än bara för ett ögonblick. på 14-talet bevisade Jean Brittain att när den andra änden av bälgen var helt förseglad kunde tio hästar tillsammans inte dra i bälgspaken.

Vissa filosofer har föreslagit att naturen är så motvillig till vakuum att den inte tillåter dem att dyka upp, och att även om de skapades på ett ögonblick, skulle materia omedelbart komma att fylla utrymmena, en syn som kallas "terrorvakuum". Det har till och med föreslagits att Gud inte kunde skapa ett vakuum även om han ville.

En liknande idé är att ett tomrum måste leda till att Satan, Guds motståndare, dyker upp i det, och för att undvika detta skulle Gud den allsmäktige omedelbart fylla tomrummet. Så tomrummet, även om det dyker upp, kan inte existera.

Detta är faktiskt en världsomfattande konsensus: vakuumet är hemskt, så man bör försöka undvika det, och Gud hjälper oss, så vakuumet är i allmänhet kortlivat. Till exempel är människor av vilken nationalitet som helst i världen rädda för tomma hus, för när ett hus lämnas obebodd under en lång tid kommer spöken att komma och göra sitt hem, så det kallas ett spökhus. Vi säger ofta "kraftvakuum", vilket betyder att bristen på förvaltning av en plats är mycket farlig.

Förresten, jag tror på vetenskap är inte rädd för spöken, så det finns ett bra spökhus, skicka mig inte, som följande jag kan absolut le.

Vakuum är verkligen ingenting? Seriöst, du kanske verkligen har missförstått det!

Faktum är att detta uttalande också förklarar ett annat fysiskt problem: varför kan du dricka vatten med ett sugrör? Idag vet vi alla att det beror på att atmosfärstryck pressar in vatten i våra munnar (säg inte att du har sug!). . Men då visste folk inte om atmosfärstrycket och trodde att Gud hatade vakuum, så han skickade omedelbart vatten för att svämma över röret som sögs ut ur luften, och skickade därmed vatten till våra munnar förresten.

Även om idén ovan verkar absurd, förklarar den många problem förknippade med att pumpa vatten relativt bra under en ganska lång tid. Därför bör vi ta en historisk syn på de teorier som blivit föråldrade.

Faktum är att detsamma gäller för alla dessa hypoteser i fysiken, du har ingen aning om varför de håller, men så länge du accepterar dem först har du en teori för att beskriva och förutsäga fysiska fenomen, annars kommer du inte att kunna röra dig en tum om du inte har förmågan att uppfinna en ny uppsättning teorier. Även om en hypotes verkligen motbevisas i framtiden är det helt normalt, eftersom fysiken bara är föremål för experiment.

02
Studiet och användningen av vakuum

År 1654 uppfann Otto von Gehrig, borgmästaren i den tyska staden Magdeburg, den första vakuumpumpen och utförde sitt berömda experiment på magdeburgska halvklotet. Resultaten visade att magdeburgarna inte kunde separera två delvis tömda lufthalvor på grund av atmosfärstryck utanför halvklotarna.

Är ett vakuum verkligen ingenting? Seriöst, du kanske verkligen har missförstått det!

Därefter förbättrade Robert Boyle Garricks design och vidareutvecklade vakuumpumpstekniken med hjälp av Hooker. Därefter fortsatte forskningen om partiellt vakuum till 1850, då Auguste Toppler uppfann Topplerpumpen, och 1855 uppfann Heinrich Geisler kvicksilverförträngningspumpen, som uppnådde ett vakuum med ett lufttryck på cirka 10 Pa.

Det var på denna vakuumnivå som många elektriska egenskaper blev observerbara, vilket förnyade intresset för vidare forskning, så att studiet av vakuum gav en stor impuls till utvecklingen av elektromagnetism. Därefter fann man att vakuum blev allt mer oskiljaktigt från olika studier och tillämpningar, och vakuumforskning blev av allt större intresse.

Den första utbredda användningen av vakuum var i glödlampor för att skydda glödtråden från kemisk nedbrytning. Den kemiska trögheten som produceras av vakuum är också tillämplig på elektronstrålesvetsning, kallsvetsning, vakuumförpackning och vakuumstekning.

Modern ultrahögvakuumteknik används i stor utsträckning vid studier av atomiskt rena substrat, eftersom endast ett mycket bra vakuum kan hålla atomärt rena ytor under ganska lång tid (ungefär minuter till dagar). Och ultrahögt vakuum eliminerar helt luftbarriärer, vilket gör att partikelstrålar kan deponera eller ta bort material utan förorening, principen bakom kemisk ångavsättning, fysisk ångavsättning och torretsning, som också är avgörande för tillverkningen av halvledarbeläggningar och optiska beläggningar. som ytvetenskap.

Eftersom konvektion minskar dramatiskt i ett vakuum, ger detta isolering för termosflaskor. Vakuum sänker effektivt vätskors kokpunkt och främjar lågtemperaturavgasning för frystorkning, limberedning, destillation, metallurgi och processrensning.

Vakuumets elektriska egenskaper gör elektronmikroskop och vakuumrör möjliga, inklusive katodstrålerör. Vakuumbrytare används ofta i elektriska ställverk, och vakuumbågsprocesser är av industriell betydelse för tillverkning av vissa stålkvaliteter eller material med hög renhet. Elimineringen av luftfriktionen genom vakuum hjälper till att minska förlusterna vid lagring av svänghjulsenergi och vid drift av ultracentrifuger.

03
Partiellt vakuum kontra perfekt vakuum

Nuförtiden säger vi i de flesta fall att ett vakuum är ett utrymme där lufttrycket är mycket lägre än standardatmosfärstrycket. Underförstått kan vi kalla det ett vakuum så länge som utrymmet bara innehåller en extremt tunn mängd gas. Naturligtvis, om du är en mycket strikt person, kan du kalla det ett "partiellt vakuum". Men jag är rädd att folk kommer att tycka att det är lite jobbigt.

Men vakuumet du har i åtanke kallas "perfekt vakuum" eller "fritt utrymme", vilket betyder.

Det utrymme där det inte finns några partiklar med energi och rörelsemängd, dvs där det inte finns några materiepartiklar (t.ex. atomer, elektroner, etc.) eller fältpartiklar (t.ex. fotoner), och där alla komponenter i Einstein-tensorn under generell relativitetsteori är noll.

Uppenbarligen kan detta idealtillstånd utan partiklar alls inte uppnås i laboratoriet, även om det kan råka finnas några materiepartiklar i en mycket liten volym under en mycket kort tidsperiod. Även om du tar bort alla materiepartiklar, skulle det fortfarande finnas otaliga fotoner och neutriner, liksom andra aspekter av mörk energi, virtuella partiklar och vakuum stiger och faller.

Så du borde se varför våra krav på vakuum har minskat avsevärt!

Övning visar att ett verkligt tomt utrymme inte är tillgängligt och inte existerar i praktiken. Men ordet "vakuum" har använts flitigt, och det skulle vara för omfattande om vi verkligen kämpade emot det. Det är därför den har använts fram till nu.

Med andra ord, det så kallade "vakuumet" är faktiskt en riktig fejk! Men folk kallar det fortfarande medvetet för "vakuum", inte på grund av vetenskaplig rigor, utan av rent historiska skäl, och inte på grund av lögner av typen "här finns ingen silverkula".

I verkligheten innehåller alla vakuum mer eller färre gasmolekyler, men antalet gasmolekyler per volymenhet i vakuum är mycket mindre än i atmosfären, och kan till och med ignoreras. I denna mening är vakuum inte ett bestämt tillstånd, utan en relativ betydelse.

04
Vakuum beror främst på pumpning

Du kanske inte förstår, det är bara att ta bort all gas från behållaren, är det så svårt?

Det är inte så enkelt som du tror. Tänk på det, vad är sättet att effektivt driva bort dessa luftmolekyler?

I tusentals år har människor tänkt på många sätt, till exempel ett slutet utrymme att förstora; låt sedan en gas fylld med ett slutet hålrum och sedan genom en kemisk reaktion förbrukas till ett fast ämne, etc.

Men den verkligt effektiva metoden är den till synes enklare och mer brutala pumpningen – naturligtvis med kombinationen av olika högprecisionsvakuumpumpar att uppnå. Anledningen till att det ser enklare ut är att den här metoden är den enklaste att tänka på och verkar enkel, men den är inte enkel alls.

För att erhålla ultrahögt vakuum, utöver de tekniska specifikationerna för den använda vakuumpumpen, finns det strikta krav på val av tätningar, kammargeometri, kombination av material och vakuumpumpar och arbetsprocedurer, som tillsammans kallas vakuumteknik .

Övning visar att oavsett hur briljant vakuumtekniken du använder, finns det alltid några spår av gas eller andra materialmolekyler kvar i behållaren. Det finns naturligtvis olika orsaker till detta, förutom gasläckage, till exempel, finns det problemet med avgasning av behållarens innervägg, eftersom något ämne (även metall eller inte), när gastrycket i utrymmet det är i är låg till viss del, kommer att frigöra gas, vanligtvis ämnets molekyler.

Den antika grekiske filosofen Aristoteles hade förutseende på denna punkt. Han sa en gång att det inte finns något hål i rymden, för även om det finns kommer det att fyllas automatiskt av den omgivande tätare materia. Faktum är att detta är fenomenet "diffusion" i fysiken - så länge partiklarnas täthet i rymden inte är enhetlig, kommer termisk rörelse att orsaka överföring av materia från en plats med hög densitet till en plats med låg densitet.

Tänk på det, behållaren som används för att innehålla själva vakuumet är också sammansatt av partiklar, så dessa partiklar kan naturligtvis inte undvika problemet med diffusion. Så även om det finns ett område i rymden där det inte finns någon materia, är materien som omger den alltid svagt tömd – diffunderar materia in i rymden, så bevarandet av vakuumet är också mycket svårt.

Så, oavsett hur mycket ansträngning du lägger på att pumpa ett slutet utrymme in i ett vakuum, är det oundvikligt att fler och fler partiklar av materia långsamt kommer att dyka upp inuti det, eftersom det är insvept i materia själv.

05
Vakuumgrad och vakuumnivå

Graden av vakuum kallas vakuumnivå. I allmänhet kännetecknas vakuumnivån huvudsakligen av trycket. Graden av vakuum är uppdelad i 5 nivåer, från låg till hög, i följande ordning

lågvakuum, med tryck över 100 Pa, som kan erhållas med hjälp av vanligt stål och vakuumpumpar

medelvakuum, med tryck mellan 100 och 0.1 Pa, vanligtvis erhållet med hjälp av rostfritt stål och vakuumpumpar

högt vakuum, mellan 0.1 och Pa, uppnått med rostfritt stål, elastomertätningar och högvakuumpumpar.

ultrahögt vakuum, med tryck mellan Pa och Pa, uppnått med lågkolhaltigt rostfritt stål, metalltätningar, speciell ytbehandling och rengöring, bakning och högvakuumpumpar

Mycket högt vakuum, med tryck under Pa, uppnås med vakuumsintrat mjukt rostfritt stål, metalltätningar, speciella ytbehandlingar och rengörings-, baknings- och extra sugpumpar.

Komplett vakuumkarakterisering, vilket kräver ytterligare parametrar som temperatur och kemisk sammansättning. En av de viktigaste parametrarna är medelfritt avstånd (MFP) för restgasen, som anger det genomsnittliga avståndet molekylerna rör sig mellan två på varandra följande kollisioner. MFP:n för luft vid atmosfärstryck är mycket kort, 70 nm. när gasdensiteten minskar, ökar MFP:n till cirka 100 mm för rumstemperatur med luft vid 100 mPa.

Är ett vakuum verkligen ingenting? Seriöst, du kanske verkligen har missförstått det!

När värdet på MFP är större än storleken på en kammare, pump, rymdfarkost eller annan behållare betyder det att gasmolekyler som rör sig i behållaren nästan uteslutande kolliderar med behållarens väggar, molekylerna interagerar med varandra på en helt försumbar sätt, och kontinuitetsantagandena för vätskedynamik gäller inte. Detta vakuumtillstånd är det höga vakuumet, och studiet av vätskeflödet i detta tillstånd kallas partikelgasdynamik.

Det högsta vakuumet i naturen erhålls inte från laboratoriet, utan från det stora utrymmet. Till exempel är atmosfärstrycket på månens yta ungefär Pa, så det finns ett mycket högt vakuum ovanför månen. Men även med ett så högt vakuum innehåller varje kubikcentimeter utrymme fortfarande upp till hundratusentals gasmolekyler, även om dess MFP är upp till tiotusentals kilometer!

Och för den sortens interstellära rymd långt från olika himlakroppar, som i genomsnitt bara har ett dussin eller till och med färre molekyler per kubikcentimeter, kan inget tryck genereras alls, och det konventionella vakuumet har misslyckats. Så vitt vi vet innehåller rymden långt från någon galax bara i genomsnitt en molekyl per kubikcentimeter, och det genomsnittliga fria intervallet för fotoner där är upp till 10 miljarder ljusår! Det är ofattbart! Detta är förmodligen det som ligger närmast ett perfekt vakuum i naturen idag.

I det interstellära rymden, eftersom det är långt borta från all materia (utan att räkna neutriner, fotoner och mörk materia), finns det nästan inga krafter som verkar på den, så alla föremål i den (om det finns en) är nästan helt fria, så det är lämpligt att kalla det ”fritt utrymme”, och referenssystemet baserat på objekt som rör sig i ett sådant utrymme kan vara Referenssystemet baserat på objekt som rör sig i detta utrymme kan betraktas som ett idealt tröghetssystem.

06
Ett exempel på högvakuumapplikation

En Crookes-radiometer, som vanligtvis används för att mäta elektromagnetiska flöden, arbetar i ett högvakuumområde, vars huvudkropp är en glasbubbla som pumpas in i ett högvakuum och innehåller en uppsättning roterbara blad. När bladen utsätts för ljus absorberar gasmolekylerna nära bladen ljuset och kolliderar med bladen för att generera tryck, och tryckskillnaden som orsakas av de olika absorptionshastigheterna av ljus på båda sidor av bladen får bladen att rotera, och ju snabbare rotationshastigheten är, desto starkare är ljuset, vilket ger en kvantitativ mätning av intensiteten av elektromagnetisk strålning.

Är ett vakuum verkligen ingenting? Seriöst, du kanske verkligen har missförstått det!

En av frågorna här är varför radiometern pumpas in i ett högvakuum inuti? Eftersom högre lufttryck kommer att leda till större luftmotstånd, endast när luften är extremt tunn, kan tryckskillnaden som genereras av temperaturskillnaden mellan de två sidorna av bladet överstiga luftmotståndet och få bladet att rotera.

En annan fråga är, är ju högre vakuum glasbubblan har, desto bättre? Nej! Om luften i glasbubblan är för tunn, är det molekylära kollisionsbladtrycket för litet, bladet kan inte rotera, så luftens densitet måste vara i ett mer lämpligt område, det vill säga högvakuum denna region.

07
Det perfekta vakuumets natur

Det här är sakerna med det traditionella vakuumet. Men det finns mycket mer att dammsuga än så.

Följande del av berättelsen kanske inte är särskilt tydlig för dig, och det är okej, det är normalt att inte förstå.

Sedan 1930-talet, med utvecklingen av kvantteorin, har det insetts att även ett perfekt vakuum inte alltid är tomt.

Den viktigaste teorin är "Dirac Sea"-modellen av vakuum som föreslogs av Dirac 1930. Han trodde att det perfekta vakuumet faktiskt fylls av ett oändligt antal elektroner med negativ energi. Om man släpper in högenergiska gammastrålar i vakuumet är det möjligt att träffa en elektron från det, och lämna ett hål i vakuumet, hålet är positron, och visst, två år senare hittade Anderson positron.

Vakuum är verkligen ingenting? Seriöst, du kan verkligen missförstå det!

Den andra är den så kallade vakuumuppgångs- och fallteorin, som bekräftades med upptäckten av lammskiftet och det anomala magnetiska momentet. Enligt kvantelektrodynamiken kan kollisioner mellan elektroner realiseras genom utbyte av imaginära fotoner, som kan producera positiva och negativa elektronpar. Således kan vakuumet betraktas som ett hav fullt av virtuella fotoner och elektronpar. Enligt Heisenbergs osäkerhetsprincip är insidan av vakuum inte lugnt, utan kan komma fram med enorm energi på kort tid. Därför kan vakuumet härleda ett stort antal partiklar på mycket kort tid och sedan försvinna omedelbart.

Är ett vakuum verkligen ingenting? Seriöst, du kan verkligen missförstå det!

Var den första att kommentera

Lämna ett svar

E-postadressen publiceras inte.


*