Почему в космосе вакуум
Перейти к содержимому

Почему в космосе вакуум

Что такое космический вакуум?

В астрономии космическая пустота — это пространство, в котором плотность материи очень мала по сравнению с остальной частью Вселенной. Ниже приведено все, что вам нужно знать.

Многие люди считают, что в тех областях Вселенной, где нет звезд, планет или галактик, нет ничего. В действительности это совсем не так. Когда мы говорим о вакууме, в астрономии мы имеем в виду тот большой участок пространства, в котором плотность материи очень мала, но не равна нулю. Менее одной десятой от средней плотности: это эталонное значение для ученых, охотящихся за космическими пустотами. И это действительно так: в нашей Вселенной есть области, где мы обнаруживаем очень, очень мало изолированных галактик. Открытием этих пустот мы обязаны ученым Стивену Грегори и Лэрду Томпсону из обсерватории Китт Пик в 1978 году.

Как образовались космические пустоты

На изображении выше — крупномасштабное представление распределения материи во Вселенной. Синие нити — это материя (как обычная, так и темная материя, но в основном последняя заполняет Вселенную). Пустые пространства между нитями называются космическими пустотами. Нити, в которых находятся скопления и суперкластеры галактик, удерживаемые вместе темной материей, разграничивают эти пустоты. Считается, что вакуум имеет размеры от 11 до 150 мегапарсеков, а особенно большие вакуумы называются супервакуумами.

По мнению ученых, пустоты образовались в результате массовых коллапсов сжатой барионной материи после Большого взрыва. Регионы с наибольшей плотностью разрушались быстрее под действием гравитации, в результате чего образовалась структура, похожая на своеобразную космическую паутину, с пустотами и нитями галактик, которые мы наблюдаем и сегодня.

Среди прочего, похоже, существует корреляция между пустотами и космическим фоновым излучением. Это является следствием так называемого гравитационного красного смещения и эффекта Закса-Вольфа: более холодные регионы будут тесно связаны с этими пустотами, в более теплых регионах появятся нити. А поскольку эффект Сакса-Вольфа имеет смысл только в том случае, если во Вселенной доминируют излучение и темная энергия, существование пустот является еще одним доказательством существования этой таинственной силы.

Чем заполнен космический вакуум?

Принято считать, что космические пространства заполнены разве что вакуумом, то есть пустотой. Однако, такое утверждение не совсем верно.

Начнем хотя бы с того, что даже сами наши представления о вакууме, то есть безвоздушном пространстве, весьма относительны. Например, в электрической лампочке «нет воздуха», говорим мы, он оттуда выкачан. Сравнительно с комнатным воздухом там — вакуум. Но физик с помощью своих лучших насосов может так выкачать воздух из какой-либо стеклянной трубки, что по сравнению с ним пространство внутри электрической лампы будет просто кишеть мириадами молекул.

Так выглядит газовая диффузная туманность

Так выглядит газовая диффузная туманность

Вот и космический вакуум также относителен. Газовые диффузные туманности, хотя и имеют плотность, меньшую чем одна миллиардная от миллиардной доли грамма в кубическом сантиметре, но все же никак не могут считаться “пустотой”. Но и там, где нет ни звезд ни туманностей, тоже не царит абсолютное “ничто”. Оно также заполнено газом, пускай и ничтожной плотности. Вот и выходит, что космический вакуум это никакая не пустота, а та же газовая среда, хотя и ужасно разряженная.

Впрочем, не только газовая! На спектрографе космический вакуум “светится” громадным количеством атомов различных химических элементов, но преобладают среди них ничто иное как кальций. Сперва это вызывало недоумение, но потом выяснилось, что ионизированный кальций поглощает свет главным образом в тех двух своих линиях, которые находятся в легко наблюдаемой части спектра. Атомы других элементов поглощают свет либо в очень многих линиях, как, например, железо, либо в такой области спектра (ультрафиолетовой), которая недоступна для изучения из-за ее полного поглощения в нашей атмосфере.

Поэтому-то линии других межзвездных атомов, если они есть, либо вообще не могут быть обнаружены, либо они менее заметны, потому что их общее поглощение разбивается на много разных поглощений — в каждой линии понемногу. Поэтому нет оснований считать ионизированный кальций единственным или преобладающим газом в межзвездных далях. Фигурально выражаясь, он только заявляет о своем присутствии громче других.

Можно все же попытаться найти и другие межзвездные газы, хотя бы слабые следы их. И действительно, после специальных поисков в спектрах звезд был найден межзвездный натрий, титан, калий, железо, циан и даже углеводород.

Общая плотность поглощающего межзвездного газа в несколько тысяч раз меньше плотности излучающих свет газовых туманностей. Полная же плотность межзвездного газа значительно больше и составляет не менее одной миллионной от миллиардной части одной миллиардной доли грамма в кубическом сантиметре. Если бы этот газ состоял из одного лишь водорода, то при такой плотности в 1 кубическом сантиметре содержалось бы только по одному атому, тогда как в таком же объеме комнатного воздуха их содержится 10 миллиардов миллиардов!

В действительности дело почти так и обстоит, так как водород на самом деле является главной составной частью межзвездного газа. Следующее за ним место занимает натрий, но на водород приходится 90% всей межзвездной среды, включая космическую пыль и метеориты. На долю последних приходится, как оказывается, ничтожная доля массы всей межзвездной среды, и больше всего в них весит самый легкий из газов.

И темные и светлые туманности которые мы видим с земли, состоят из очень разряженных газов

И темные и светлые туманности которые мы видим с Земли, состоят из очень разряженных газов

Светлые туманности, то тут, то там видимые среди звезд и состоящие из газов, также светятся благодаря воздействию со стороны звезд, но в данном случае мы наблюдаем процесс так называемой флюоресценции – сама туманность не излучает света, а только отражает звездный, как правило исходящий от очень горячих звезд.

Подводя итог, хочу вновь задать вопрос, как и в начале: можно ли считать, что космос наполнен лишь пустотой? Нет, и мы в этом только что убедились. Однако, положа руку на сердце, мы должны признать и то, что такое утверждение не так уж далеко от действительности. Не смотря на наличие в космическом вакууме громадного числа атомов самых разных химический элементов, их количество, все-таки ничтожно мало.

В пределах доступной исследованиям части Вселенной на каждый кубический сантиметр звездного вещества приходится приблизительно 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 кубических сантиметров почти пустого пространства. А поскольку средняя плотность звезды лишь немного выше плотности воды, предыдущее утверждение можно перефразировать, сказав, что средняя плотность Вселенной порядка одного грамма на каждые 5 000 000 000 000 000 000 000 000 000 кубических сантиметров.

Это примерно в 10 триллионов раз меньше той плотности, которая считается высоким вакуумом, достигаемым при помощи обычной лабораторной техники.

ВАКУУМ: КОСМОС, ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ

ВАКУУМ: КОСМОС, ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ

Многие из нас не понимают природу вакуума и до сих пор считают, что вакуум – это просто ничто, пустота, пространство, лишенное материи и молекул. Вакуум как Пустота, такое понятие существовало еще в средние века и вызывало большой интерес среди ученых того времени.

В Средние века католическая церковь запрещала все исследования, связанные с пустотой, так как провозглашала это понятие священным. В 1211 году Уставом Парижского Собора заниматься “пустотой” было разрешено только теологам. Натурфилософы не имели такого права. Одним из главных постулатов теологии был: “Природа боится Пустоты”.

В 1640 году итальянский ученый Галилео Галилей, занятый в то время проектированием и строительством колодцев во Флоренции, определил “Силу боязни Пустоты” и показал, что она составляет 10 метров водяного столба или 1 кг на см 2 . Кто бы мог подумать, что на данном принципе будет построена аэрация водоемов и выбор насос компрессоров для пруда.

В 1643 году Эвангиелисто Торичелли, ученик Галилея, измерил эту силу, используя стеклянную трубку, запаянную с одного конца, и показал, что эта сила уравновешивается столбом ртути высотой 760 мм. Пустое пространство под поверхностью ртути было названо “Торригеллева пустота”, так как считали его абсолютно пустым. Сейчас мы знаем, что это пространство заполнено парами ртути с давлением около 1,2х10 -3 мм. рт.ст (или 1,6х10 -1 Па). Позже единица давления в 1 мм.рт.ст была названа тором в честь Торичелли. Большинство средств измерений вакуума, вакуумных датчиков, их диапазоны измерений указывается в торах. Более подробно с единицами измерения вакуума можно ознакомиться в технической статье по вакуумным датчикам.

В 1648 году Блез Паскаль открыл, что “Сила боязни Пустоты” была ничем иным, как атмосферным давлением. Сначала он повторил опыты Торичелли с трубкой и ртутью. Затем он попросил своего свояка Флорена Перье повторить этот эксперимент сначала у подножья горы Пюи де Дом, а затем на вершине. Эксперимент был проведен в присутствии горожан города Клермона 16 сентября 1648 года и показал разницу уровней столба ртути 82,5 мм для высоты 1,5 км. Паскаль был первым, кто доказал, что атмосферные газы создают давление. В честь этого открытия современная единица давления названа Паскалем (1 Па = 0,0076 тор). Вся вакуумная техника, характеристики вакуумных насосов, а точнее значение уровня вакуума указывается по системе измерений СИ в Паскалях.

В 1650 году Отто фон Герике, мэр города Магдебурга, сконструировавший первый воздушный насос с водяным уплотнением, осуществил свои знаменитые эксперименты с “Магдебургскими полушариями”.

В 1825 году Жан Батист Дюма, французский химик получил низкое давление путем конденсации паров воды в закрытом объеме. В 1835 году Роберт Бунзен, немецкий химик, получил вакуум с использованием струи жидкости, но все эти изобретения не использовались на практике, так как в них не было технической потребности.

Далее выяснилось, что полной пустоты в природе не существует. Ее нет даже там, где совершенно отсутствует какое бы то ни было вещество. В XVIII столетии Фарадей утверждал, что материя присутствует везде, и нет промежуточного пространства, не занятого ею.

В 1887 году русские ученые Столетов и Герц открыли явление фотоэлектронной эмиссии. Эти выдающиеся технические открытия заложили техническую и экономическую основу для бурного развития вакуумных технологий в мире.

В 1874 году шотландец Мак Леод изобрел компрессионный манометр, а итальянец Пирани – манометр сопротивления, позволяющие измерять давления в низком и среднем вакууме.

В 1884 году итальянский инженер Малиньяни впервые использовал сорбент (фосфор) для улучшения вакуума в электрической лампе. Зарождение идеи создания адсорбционных и геттерных вакуумных насосов.

В 1904 году француз Дюар впервые использовал активированный уголь, охлажденный жидким азотом для сорбции (откачки) газов. Всем известные сосуды Дюара для хранения жидкого азота.

В 1906 году немецкий инженер Геде изобрел вращательный ртутный, а затем вращательный масляный насосы. Пять лет позже он изобрел молекулярный вращательный насос. Потом появились современные турбомолекулярные насосы.

В период с 1914 по 1916 гг. парортутный диффузионный насос был практически одновременно изобретен в трех странах, разделенных границами Первой Мировой войны: в России – профессор Боровиком, в Германии – Геде, во Франции – Ленгмюром.

В 1916 году американский ученый Бакли изобрел ионизационный манометр. В 1928 году Берч изобрел паромасляный диффузионный насос, в котором ртуть была заменена маслом.

Фундаментальные основы вакуумной техники были созданы в начале ХХ века теоретическими работами Дешмана (Америка), Ленгмюра (Франция), Кэмпбелла (Англия), Кнудсена (Голландия), а также русскими учеными – академиком Иоффе и профессором Богуславским.

В настоящее время без вакуума не обходится ни одна сфера науки и промышленности. Испытания в вакууме, термовакуумные испытания, исследования физики вакуума, возникновения вселенной. Более подробно области применения вакуума описаны в статье, применение вакуума в науке и промышленности.

Вернемся к описанию вакуума, пространства и времени. Абсолютно любая область космического пространства всегда заполнена если не веществом, то какими-либо другими видами материи, будто магнитными полями, влиянием гравитации, излучениями и другими полями. Большая часть космоса состоит из темной материи и энергии, 96% космоса и только 4 % скопления газа и звезды. Состав и природа темной материи на настоящий момент не известны.

Подумайте только, вообразите себе на минуту, что нам каким-то образом удалось совершенно опустошить некоторую область пространства, откачать воздух и удалить из вакуумного объема вакуумной камеры все частицы, излучения и поля. Так вот даже в этом случае все равно осталось бы «Нечто». Определенный запас энергии, который у ва­куума нельзя отобрать никакими способами. Что говорить о существовании неизведанной темной материи. Но человечество любопытно в своих стремлениях, и кто знает, какие ждут нас открытия в будущем.

Обнаружились неожиданные и интересные факты. Оказалось, что вакуум способен рождать элементарные частицы, порождать вещество. Мало того, с самим вакуумом могут происходить различные физические превращения, он способен взаимодействовать с чем-то и даже сам с собой.

Помню, учась в институте на первом курсе кафедры, нам преподавали основы вакуумной техники, отец меня спросил, решив поймать на вопросе: скажи мне, а существует Эхо в вакууме? Я задумался, в лесу распространение звука есть, мы слышим его в виде Эхо, а что происходит в вакууме? Я честно признаюсь, я колебался с ответом и не мог ответить на вопрос, но посетили мысли о том, как может звук распространяться в вакууме, ведь нет ничего, от чего он может отражаться.

Вакуум взаимодействует с вакуумом? Значит ли это, что рушится один из самых основных законов природы, закон сохранения материи? Меня часто посещают мысли, вакуум как нечто материальное, особая форма существовании материи, а некоторые ученые предлагают считать ВАКУУМ особым состоянием вещества. Тут больше философский интерес, ведь вакуум представляет собою нечто более универсальное и всеобъемлющее, чем любая другая известная нам форма существования материи. Может быть, вакуум и есть та «протосреда», из которой могут образовываться все другие виды вещества и материи.

В частности, советский ученый высказал интересные гипотезы о том, что вакуум представляет собой не что иное, как бесконечно большой запас энергии одного знака, компенсированный энергией другого знака. Таким образом, вакуум — это как бы совокуп­ность, своеобразное единство противоположностей. Когда же из вакуума образуются другие формы материи, которые и составляют то, что мы называем Вселенной, эти противоположности разделяются. Не исключена возможность, что с подобной точки зрения удастся объяснить такие явления, как образование космических лучей высоких энергий, вспышки сверхзвезд, образование радиогалактик, а также начало расширения галактик.

О том, что ВАКУУМ — НЕ ПУСТОТА, а сложная физическая система, лучше всего свидетельствует открытие одного из самых поразительных явлений — так называемой «поляризации вакуума», к которому пришла квантовая электродинамика.

Квантовая электродинамика, или квантовая теория электромагнитного поля, — один из сравнительно молодых и наиболее сложных разделов современной физики. Она занимается изучением всевозможных взаимодейст­вий фотонов электромагнитного поля с заряженными частицами. Вакуум оказался еще значительно сложнее, чем мы это себе представляли. Но тем интереснее узнавать о нем больше и познавать его.

В вакууме, который рассматривается как особое состояние материи, скрыты не только электроны и позитроны, но и пары «протон—антипротон». Такие пары, если к ним подвести энергию в форме, например, фотонов, становятся реальными: их можно зарегистрировать.

Если в вакууме покоится заряженная частица — протон, то согласно законам квантовой механики вокруг него будут непрерывно рождаться и уничтожаться электроны и позитроны. Создается своеобразная «плазма» наподобие той, которая возникает в газовом разряде. Поэтому вблизи протона вакуум приобретает суммарный отрицательный заряд, а на большом расстоянии от него — суммарный положительный. В результате заряд протона несколько уменьшается — «экранируется». Это и есть поляризация.

KOSMOS (1)

Следовательно, частица, оказавшаяся в вакууме, расталкивает вокруг себя заряды, расталкивает «плазму». Именно это обстоятельство и дает возможность наблю­дать эффект, о котором идет речь.

Хотя возникающие в «плазме» заряженные частицы «живут» лишь десять в минус двадцать первой степени секунды и наблюдать их нельзя, свойства электронного поля вблизи протона, как уже говорилось, изменяются. Это явление можно наблюдать экспериментально. Однако расчет величины подобного эффекта долгое время наталкивался па непреодолимые трудности. Соответствующие эксперименты были проведены учёными на ускорителях, получив непосредственное опытное подтверждение природы вакуума.

Мне хочется верить в предположение ряда ученых, что в будущем на смену современной физической картине мира, которая базируется на взаимодействие различных полей электромагнитных, гравитационных и других — придет вакуумная картина. Такая картина должна исходить из того, что основой всего во Вселенной является вакуум, а все существующее, по меткому выражению одного известного ученого, не более как «легкая рябь» на его поверхности. Обычное вещество может оказаться в определенном смысле конечным, а суть всех вещей заключаться именно в вакууме.

Еще с появлением теории относительности была обнаружена тесная связь между свойствами материи и свойствами пространства и времени. При этом до сих пор мы исходили из предположения, что определяющую роль играют свойства материи вещества, частицы, полей, а свойства пространства и времени являются вторичными, производными. Однако в принципе не исключена возможность, что в действительности все обстоит наоборот: свойства материи представляют собой не что иное, как проявление определенных геометрических свойств, так сказать, пространственно-вре­менного «каркаса».

Согласно современным физическим воззрениям, реальное пространство Вселенной, в котором мы живем, является «трехмерным» и «односвязным». Первое из этих свойств означает, что в нашем пространстве через одну точку можно провести только три взаимно перпендикулярные прямые линии. Правда, согласно теории относительности Альберта Эйнштейна в природе существует и еще одно, четвертое измерение: Время. Но это четырехмерное «пространство-время» теории относительности фактически является лишь математическим приемом, позволяющим в удобной форме описывать различные физические процессы. Поэтому говорить о том, что мы с точки зрения теории относительности живем в четырехмерном мире, можно лишь в том смысле, что все происходящие в природе события совершаются не только в пространстве, но и во времени.

Есть и зоны, где происходят явления, которые вообще трудно даже себе представить: здесь временная координата меняется ролями с одной из пространственных, время как бы превращается в расстояние, а расстояние — Время.

Разумеется, в любом случае высшим и окончательным судьей истинны или ложности любой теории остается эксперимент. Но, тем не менее, физический анализ способен оказывать весьма существенную помощь при оценке тех или иных ситуаций, складывающихся в процессе изучения природы вакуума и выборе наиболее эффективных путей дальнейшего исследования.

Компания ВАКТАЙМ занимается поставкой специализированных исследовательских комплексов, разработкой научного и инновационного вакуумного оборудования, проектированием сложных вакуумных систем, монтажом вакуумных систем откачки, систем имитации условий космического пространства. Таких как имитация космоса, холодного космического пространства, где температуры могут достигать температур жидкого азота, имитация вакуума и теплового излучения земли, излучения солнца, испытаний объектов в вакууме.

KOSMOS (9)

Технические специалисты компании ВАКТАЙМ окажут поддержку и консультацию в вопросах подбора вакуумного оборудования для проведения Ваших исследований, предложат различные варианты компоновок вакуумных систем, посоветуют аналитическое оборудование для определения остаточного состава атмосферы в вакуумной камере, спроектируют и изготовят вакуумные камеры для Ваших задач.

Spacechamberbigbaddy

Компания ВАКТАЙМ поставляет и изготавливает вакуумные откачные стенды для создания сверхвысокого вакуума менее 10 -11 Паскаля. Сверхвысоковакуумная камера для Ваших исследований и экспериментов в вакууме. Узнайте больше в разделе вакуумные камеры.

KOSMOS (6) KOSMOS (4)

Компания ВАКТАЙМ поставляет средства измерения вакуума для низкого и высокого вакуума, в том числе известный вакуумметр итальянского ученого Пирани. В честь этого ученого названы самые распространённые вакуумметры мира. Более подробно вы можете ознакомиться в статье « C редства измерения вакуума, история вакуумметры».

Какие бы перед Вами задачи в области исследования и применения вакуума не стояли, компания ВАКТАЙМ поможет Вам с решением, предложит необходимые способы реализации с помощью самого современного вакуумного оборудования. Если Вы хотите купить вакуумный насос, купить вакуумный датчик, ищите лучшее предложение по цене и технике, но не знаете цену на вакуумный насос, позвоните нашим инженерам и мы поможем подобрать оптимальный вариант для Вас.

Насколько глубок космический вакуум?

Все с детства знают, что в Космосе – вакуум. И при том, глубокий вакуум, который нельзя сделать в лаборатории на Земле. Ну нет таких насосов.

И да, это так и есть. Если на Земле сверхвысокий вакуум соответствует давлению в 10 -12 bar, то в дальнем космосе, давление в 10 -19 bar является нормой. А это в 10 миллион раз пустее, чем то что мы можем сделать на Земле!

И здесь можно было заканчивать заметку, да и вообще ничего не писать, если бы не было одно «но».

И этим «но» является вопрос (и ответ на него) «Что есть вакуум»?

Само давление газа, каким-то признаком вакуума/невакуума не является. Ведь, газы, они сжимаемые – повышаем давление, они сжимаются, понижаем – разрежаются.

А вот состояние «вакуум» это качественное изменение свойств газа.

По дефиниции, «вакуум» это такое состояние газа, когда его частицы ударяются между собой реже, чем в стенки сосуда в котором газ заключен. Или если сказать по другому – свободный пробег частиц газа должен быть длиннее чем линейные размеры сосуда.

Когда газ находится в таком состоянии, он уже ведет себе по другому. Все явления, которые зависят от передачи энергии между частицами газа будут работать очень плохо или не будут работать совсем. Это например теплопроводность или распространение звуковых волн.

Так, если следовать этому определению, то выходит, что «вакуум/невакуум» зависит одновременно от состояния газа и от размеров сосуда в котором газ находится.

Например в очень маленьких сосудах, газ может находиться в состоянии вакуума даже при давлении в одну атмосферу. (правда, размер сосуда при этом должен быт примерно в 60нм)

А если обратно в Космос? Он же огромен! И сколько бы не был разрежен газ, то частица газа, рано или поздно встретится с другой частицей газа, но никак не с стенками сосуда из за отсутствия таковых.

Выходит, что в Космосе нет никакого вакуума! В космосе есть космическая газовая атмосфера.

Газ в космосе ведет себя именно как газ, а не как вакуум. В частности, в космосе должны быть всякие звуковые волны, ударные волны, теплопроводность, всякие явления аэродинамики.

Это все, конечно, давно известно и ничего нового я не изобрел. Даже не посмотрел на проблему с необычной точки зрения – физики именно с этой точки рассматривают Космос.

Просто захотелось в эту точку зрения ткнуть пальцем, для тех которые забыли об этом или никогда не знали.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *