Vakuums

Vakuums (no  — 'tukšs') ir telpa, kurā gandrīz nav vielu. Tas nozīmē, ka gāzveida spiediens vakuumā ir daudz mazāks nekā atmosfēras spiediens. Perfekts jeb ideāls vakuums gāzveida spiediens ir vienāds ar nulli, taču šāds vakuums līdz šim nekad nav novērots. Ideālam eksperimentam kuram būtu jānotiek pilnīgā vakuumā, fizikā lieto terminus "vakuums" un "brīvais izplatījums". "Nepilnīgo" vakuumu, ko var novērot praksē, izmanto jēdzienu "daļējs vakuums".

Vakuuma kvalitāte ir atkarīga no tā, cik tuvu tas ir perfektajam vakuumam - to nosaka pēc pārpalikušā gāzes spiediena. Visbiežāk to mēra vienībās, kuras tiek dēvētas par torr. Jo zemāks vakuuma spiediens, jo labāka tā kvalitāte, taču jāņem vērā arī citi vakuuma parametri. Kvantu mehānika nosaka robežas tam, kāda ir maksimāli iespējamajā vakuuma kvalitāte — tā paredz, ka izplatījumā neviens telpas apgabals nekad nevar būt pilnīgi tukšs. Kosmosā pastāv dabīgs, ļoti kvalitatīvs vakuums. Pārsvarā tas ir ar augstāku kvalitāti nekā vakuums, kādu varētu radīt mākslīgi, izmantojot pašreizējās tehnoloģijas. Zemas kvalitātes mākslīgais vakuums jau kopš seniem laikiem ir ticis izmantots sūknēšanai.

Vakuums ir bijis biežs filozofisku debašu temats jau kopš seno grieķu laikiem, bet netika eksperimentāli pētīts līdz 17. gadsimtam. Pirmo reizi laboratorijas apstākļos mākslīgo vakuumu radīja itāļu fiziķis Evandželista Toričelli 1643. gadā. Citas eksperimentālās metodes tika attīstītas vēlāk, balstoties uz viņa izgudrotajām atmosfēras spiediena teorijām. Vakuums kļuva par vērtīgu rūpniecības instrumentu 20. gadsimtā, kad tika ieviestas kvēlspuldzes un elektronu lampas. Tajā laikā kļuva pieejami daudzi izgudrojumi, kuru darbības pamatā ir vakuums. Mūsdienās, sakarā ar cilvēku došanos kosmosā, ir palielinājusies interese par vakuuma ietekmi uz cilvēka veselību un uz dzīvības formām vispār.

Izmantošana 

Vakuumu izmanto dažādos procesos un ierīcēs. Tā pirmais pielietojums bija 19. gadsimtā, kad izgudroja kvēlspuldzes — vakuums pasargā spuldzes kvēldiegu no pārdegšanas.  Augstā un ļoti augstā vakuumā ir ļoti maza gaisa pretestība, tāpēc ar elementārdaļiņu kūļu palīdzību var novietot vai aizvākt izejvielas, neradot piesārņojumu. Šis princips tiek izmantots ķīmisko garaiņu nogulsnēšanai un sausajai kodināšanai, kas ir būtiski procesi pusvadītāju ražošanā, kā arī veidojot optiskos pārklājus un pētot virsmu fiziskās un ķīmiskās īpašības. Konvekcijas samazināša nodrošina termālo izolāciju termosa pudelēs. Augsts vakuums sekmē atgāzēšanu, ko izmanto žāvēšanā ar sasaldēšanu, līmju izgatavošanā, destilācijā, metalurģijā. Vakuuma elektriskās īpašības rada iespējamu elektronu mikroskopu un elektronu lampu ražošanu, ieskaitot katodstaru lampas. Gaisa pretestības novēršana ir noderīga, lai uzglabātu enerģiju ar spararata palīdzību, kā arī izgatavotu ļoti ātras centrifūgas.

Vakuums braucamrīkos 
Vakuums parasti tiek izmantots sūknēšanā, kurai savukārt ir daudzi citi pielietojumi. Ņūkomena tvaika mašīnā spiediena vietā izmanto vakuumu, lai kustinātu virzuli. 19. gadsimtā vakuums ticis izmantots Isambarda Kingdoma Brunela (Isambard Kingdom Brunel) eksperimentālajam atmosfēras dzelzceļam kā vilcējs. Vakuuma bremzes reiz tika plaši pielietotas vilcienos Apvienotajā Karalistē bet, neskaitot vēsturiskos dzelzceļus, tās ir aizstātas ar gaisa bremzēm.

Gaisa spiediena starpība var tikt izmantota automobiļos. Vispazīstamākais pielietojums ir vakuuma servopiedziņa, ko izmanto, lai nodrošinātu enerģijas piegādi bremzēm.

Kosmoss 

Kosmosam ir ļoti zems blīvums un spiediens, līdz ar to tas ir tuvākais fizikālais tuvinājums perfektajam vakuumam. Tajā nav spiediens, tādēļ tas ļauj zvaigznēm, planētām un pavadoņiem kustēties brīvi, ievērojot ideālas gravitātes trajektorijas. Bet neviens vakuums nevar būt pilnīgi perfekts, pat ne starpzvaigžņu telpā, jo tur joprojām ir daži ūdeņraža atomi uz katru kubikcentimetru. Lielais kosmosa vakuums varētu radīt piemērotu vidi noteiktiem ražošanas procesiem, piemēram, tiem, kuriem nepieciešamas tīras virsmas, bet ir izdevīgāk radīt tādu pašu vakuumu uz Zemes, nekā doties kosmosā.

Zvaigznes, planētas un pavadoņi saglabā savu atmosfēru pateicoties gravitācijas spēkam un tādām atmosfērām nav acīmredzamas robežas: atmosfēriskās gāzes blīvums samazinās līdz ar attālumu no objekta. Zemes atmosfēras spiediena kritumi ir apmēram 1 Pa (10-3 Torr) uz 100 km augstumu, Kārmāna līnija ir definēta kā robeža starp Zemes atmosfēru un kosmisko telpu. Spiediena definīciju ir grūti izskaidrot, jo aiz šīs līnijas, izotropu gāzes spiediens ātri kļūst nenozīmīgs, kad to pielīdzina radiācijas spiedienam, kas nāk no saules un dinamiskajam spiedienam, kas nāk no saules vēja. Termosfērai šajā rādiusā ir liels spiediena gradients, temperatūra un slīpums, un tās dažādības ievērojami ietekmē kosmosa laiku. Astrofiziķi atbalsta blīvuma numerāciju, daļiņas vienība uz kubikcentimetru, lai aprakstītu šo vidi.

Tas saskaras arī ar definīciju par visumu, atmosfēras blīvums pirmajos pāris simts kilometros virs Kārmāna līnijas (robežas) vēl ir pietiekams, lai radītu nozīmīgu šķērsli satelītiem. Vairums mākslīgo pavadoņu darbojas vietā, kas saukta par zemo Zemes orbītu un tiem orbītas sasniegšanai nepieciešams ieslēgt dzinējus ik pēc pāris dienām. Šķēršļi šajā vietā ir pietiekami mazi, teorētiski tie varētu tikt pārvarēti ar saules „buru” spiediena palīdzību, kas varētu būt starpplanētu ceļošanas sistēmas dzinējspēks. Planētas ir pārāk masīvas savā ceļā, lai šie spēki tās ietekmētu, kā arī saules vēji „saēd” to atmosfēras.

Viss redzamais visums ir pildīts ar neskaitāmu daudzumu fotonu, tā saukto reliktstarojumu, kā arī ar lielu daudzumu neitrīno. Pašreizējā šīs radiācijas temperatūra ir 3 grādi pēc Kelvina (-270 grādi pēc Celsija vai -454 grādi pēc Fārenheita).

Ietekme uz cilvēkiem un dzīvniekiem 

Asinis un citi ķermeņa šķidrumi sāk vārīties, ja to spiediens nokrīt zemāk par 6,3 KPa (kilopaskāliem) (47 Torr), ūdens tvaika spiediens ķermeņa temperatūrā. Šo stāvokli sauc par ebulismu. Tvaiks var piepūst ķermeni divreiz lielāku nekā tas ir patiesībā un palielināt cirkulāciju, taču audi ir pietiekami elastīgi un poraini, lai tas nenotiktu. Ebulisms tiek palēnināts ar asinsvados esošo spiedienu, tādējādi daļa asiņu kļūst šķidras. Ebulismu un svīšanu var novērst, izmantojot skafandru. Kosmosa kuģa kosmonauti nēsā atbilstošu elastīgu apģērbu, sauktu par „Komandas Augstuma Aizsardzības apģērbs” (CAPS), kas pasargā no ebulisma, 2 KPa zemā spiedienā (15 Torr). Strauja ādas atdzišana, it īpaši mutē, var novest pie sasalšanas, bet tas ir maznozīmīgs risks.

Eksperimenti ar dzīvniekiem pierāda, ka ātra un pilnīga atveseļošanās ir normāla, ja organisms ir ticis pakļauts vakuumam mazāk kā 90 sekundes, ilgāka visa ķermeņa pakļaušana vakuumam ir letāla un atdzīvināšana vēl nekad nav bijusi veiksmīga. Pieejams ir tikai neliels skaits ziņojumu par nelaimes gadījumiem ar cilvēkiem, taču šis skaits ir konsekvents ar ziņojumu skaitu par nelaimes gadījumiem ar dzīvniekiem. Ķermeņa locekļi vakuumam var tikt pakļauti daudz ilgāku laiku, ar nosacījumu, ka nav pavājināta elpošana. Roberts Boils bija pirmais, kurš 1660. gadā parādīja, ka maziem dzīvniekiem vakuums ir nāvējošs.

1942. gadā vienā no Luftwaffe eksperimentu sērijām ar cilvēkiem, Nacisma režīmā laikā Dahavas koncentrācijas nometnēs ieslodzītos spīdzināja, lai noteiktu, kāda ir cilvēka ķermeņa spēja izdzīvot lielā augstumā, pakļaujot tos vakuumam.

Aukstās vai ar skābekli bagātās atmosfērās dzīvība var saglabāties spiedienā, kas ir daudz zemāks nekā atmosfēras spiediens, tik ilgi, kamēr skābekļa blīvums ir tāds pats, kā normālā jūras līmeņa atmosfērā. Zemās gaisa temperatūras, kādas ir augstumā līdz 3 km, galvenokārt rodas, tur esošā zemā gaisa spiediena dēļ. Virs šī augstuma ir nepieciešams papildu skābeklis, lai izvairītos no augstuma slimības, un skafandri, lai izvairītos no ebulisma, kas var rasties augstumā, kurš pārsniedz 19 km virs jūras līmeņa. Pārsvarā skafandros izmanto tikai 20 KPa (150 tori) tīrā skābekļa, kas ir pietiekoši, lai paliktu pie samaņas. Šis spiediens ir pietiekami augsts, lai novērstu ebulismu, taču, mazākā asins iztvaikošana, ja tā netiek novērsta, joprojām varētu radīt spiediena samazināšanās slimību un gāzes embolismu.

Strauja spiediena samazināšanās var būt daudz bīstamāka nekā pakļaušana vakuumam. Pat ja upuris neaiztur elpu, ventilācija caur caurulīti var būt pārāk lēna un radīt letālas sekas jūtīgajām plaušu alveolām. Auss bungādiņas un sinusi var tikt bojāti strauja spiediena samazināšanās gadījumā, mīkstie audi var kļūt zili un pa tiem var sūkties asinis, un stress no šoka paātrinās skābekļa krāšanos, kas beigās novedīs pie hipoksijas. Ievainojumi, kuri rodas strauja spiediena samazināšanās rezultātā, tiek saukti par barotraumām. Pat spiediena nokrišanās par 100 Torr (13 KPa), kas parasti neizraisa un nerada nekādus simptomus, ja spiediens krītas pakāpeniski, var būt nāvējoša, ja tas notiek pēkšņi un strauji.

Daži īpaši mikroorganismi, piemēram, gauskāji var izdzīvot vakuumā pat vairākus gadus.

Vēsturiskais izskaidrojums 

Vēsturiski ir bijuši daudzi strīdi par to, vai tāda lieta kā vakuums vispār var pastāvēt. Senie Grieķu filozofi nevēlējās atzīt vakuuma esamību, uzdodot sev jautājumu: „Kā nekas var būt kaut kas?” Platons nonāca pie domas, ka vakuums ir neiedomājams. Viņš ticēja, ka visas fiziskas parādības un lietas bija abstrakta Platonisma instances un viņš nespēja iedomāties „ideālu” vakuuma formu. Paralēli tam arī Aristotelis domāja, ka vakuuma radīšana ir neiespējama — nekas nevar būt kaut kas. Vēlāk grieķu filozofi domāja, ka vakuums varētu pastāvēt ārpus kosmosa, bet ne tajā.

Viduslaiku Islāma pasaulē, musulmaņu fiziķis un filozofs Fārābī (872—950) vadīja nelielu eksperimentu, lai izpētu vakuuma esamību, kuros viņš pētīja ar roku turamus ūdens virzuļus. Viņš nonāca pie secinājuma, ka gaisa tilpums var izplesties, lai aizpildītu apkārt esošo pieejamo vietu un ierosināja, ka priekšstats par perfektu vakuumu bijis nesakarīgs. Neskatoties uz to, Musulmaņu fiziķis Alhazens (965-1039) un teologs Mu'tazili nepiekrita Aristotelim un Fārābī, balstoties uz teoriju par "tukšumu". Izmantojot ģeometriju, Alhazens matemātiski demonstrēja, ka laukums ('al-makan') ir iedomāts, trīsdimensionāls tukšums kāda ķermeņa iekšpusē. Abū Raihāns Bīrūnī apgalvoja, ka "nav vērā ņemamu pierādījumu, kas izslēgtu vakuuma iespējamību". Pateicoties Musulmaņu inženierim un izgudrotājam Al-Jazari 1206. gadā tika izgudrots pirmais sūknis. Eiropā tas parādījās ap 15. gadsimtu. Taqi al-Din sešu cilindru 'Monobloka' sūknis, kurš tika izgudrots 1551. gadā varēja radīt daļēju vakuumu, ko dēvēja par "līdzko lielākais svars pārvietojas uz augšu, tas virza virzuli sev līdz, radot tādu vakuumu, kas sūc ūdeni caur pretvārstu iekšā cilindra virzulī".

Viduslaikos katoļu baznīca pauda ideju, ka vakuums ir kas amorāls un pat ķecerīgs. Nekā neesamība liktu arī domāt par Dieva neesamību un novestu pie tā, ka stāsts par visa rašanos Mozus pirmajā grāmatā būtu spēkā neesošs. Viduslaikos izdomātus eksperimentus par vakuuma ideju uzskatītu par patiesiem, tikai gadījumā, ja vakuums būtu klātesošs, piemēram, ja divas plakanas plāksnes tiktu strauji atdalītas viena no otras. Notika daudzas diskusijas par to vai gaiss, plāksnēm atdaloties, kustas pietiekami ātri, vai, kā apgalvoja Valters Burlijs, „dievišķīgie aģenti” radītu vakuuma celšanos. Plaši izskatīts uzskats, ka dabai "riebās" vakuums, tika nosaukts par horror vacui. Šie pieņēmumi tika izbeigti 1277. gadā Parīzes bīskapa Étienne Tempier tiesas sēdē, kurā tika pieprasīts neapšaubīt Dieva spēku, tas noveda pie secinājuma, ka Dievs varētu radīt vakuumu, ja viņš to gribētu. Renē Dekarts arī apšaubīja vakuuma eksistenci, pamatojoties uz šādiem vārdiem: "Telpa ir vienāda ar izstiepšanos, bet izstiepšanās ir vienota ar ķermeņiem; tātad nav telpas bez ķermeņiem un līdz ar to arī tukšas telpas (vakuums)." Par spīti tam, pretošanās idejai par vakuuma eksistenci dabā turpinājās arī Zinātniskajā revolūcijā, pateicoties mācekļiem, piemēram, Paolo Kasatī, kuri bija antivakuumisti. 14. gadsimtā Hans Buridans ziņoja, ka 10 zirgu komandas nespēja atvērt plēšas, kad to ieeja bija noslēgta, acīmredzot dēļ horror vacui.

Ticība 'horror vacui' tika apgāzta 17. gadsimtā. Ap to laiku ūdens sūkņu dizains tika uzlabots tik tālu, ka tā radītais vakuums kļuva izmērāms, lai gan sākumā tas vēl nebija skaidrs. Tad bija zināms, ka sūkņi, nevar izspiest ūdeni pēc noteikta augstuma: saskaņā ar 1635. gada mērījumiem — pēc 18 Florenciešu jardiem. (Cik tas ir pārveidojot metros nav zināms, bet tas varētu būt aptuveni 9-10 metri) Šis ierobežojums bija svarīgs apūdeņošanas sistēmām, kanalizācijām un dekoratīvajām ūdens strūklakām, ko bija ieplānojis Toskānas hercogs, tādēļ viņš pilnvaroja Galileo, lai atrisina problēmu. Galileo izklāstīja sarežģīto problēmu arī citiem zinātniekiem, ieskaitot Gasparo Berti, kurš kopēja to, 1639. gadā Romā uzbūvējot pirmo barometru. Bertija barometrs uzrādīja vakuumu virs ūdens stabiņa, bet viņš nespēja to izskaidrot. 1643. gadā Evandželists Toričelli šo teoriju apgāza. Pārskatot Galileo pierakstus, viņš uzbūvēja pirmo dzīvsudraba barometru un uzrakstīja pārliecinošu argumentu, ka telpa barometra augšā ir vakuums. Stabiņa augstums tika ierobežots līdz maksimālajam augstumam, ko pieļāva atmosfēras spiediens. Daži cilvēki ticēja, ka Toričelli eksperiments bija izšķirošs, taču Blēza Paskāla eksperiments bija tas, kurš pierādīja, ka telpa augšā ir vakuums.

1654. gadā Oto fon Gērike izgudroja pirmo vakuuma sūkni un vadīja savu pirmo Magdeburgas puslodes eksperimentu, parādot, ka zirgu bars nespēj atdalīt divas puslodes, starp kurām ir izsūkts gaiss, vienu no otras. Roberts Boils uzlaboja Guerika izgudrojuma dizainu un vadīja eksperimentus, lai noskaidrotu vakuuma īpašības. Arī Roberts Huks palīdzēja Boilam izgatavot gaisa sūkni, kas ļāva radīt vakuumu. Pēc tam, līdz 1850. gadam interese par vakuumu pazuda, līdz Augusts Toplers izgudroja Toplera sūkni. Tad 1855. gadā Henrihs Geislers radīja dzīvsudraba aizvietotājsūkni un ieguva rekordlielu vakuumu, apmēram 10 Pa (0,1 Torr). Šādā vakuuma līmenī bija saskatāmas vakuuma elektriskās īpašības un tas atkal atdzīvināja interesi. Tas noveda pie elektronu lampu radīšanas. Neilgi pēc tam, 1865. gadā Hermanis Sprengels izgudroja Sprengela sūkni.

Kamēr visums tika pielīdzināts vakuumam, agrākās teorijas par gaismas īpašībām, pastiprināja esamību tam, ka ir neredzama vide, kura varētu vadīt gaismas starus. (Īzaks Ņūtons balstījās uz šo ideju, lai izskaidrotu refrakciju un radioaktīvo siltumu). Tas 19. gadsimtā radīja gaismu nesošu ēteri, bet bija zināms, ka idejai būs raksturīgi īsi uznācieni — it īpaši, ja zeme virzītos caur matērisko vidi, videi būtu jābūt gan ļoti retinātai (jo nav novērots, ka zeme būtu palēninājusies savā orbītā), gan ļoti nekustīgai (jo vibrācijas izplatās ļoti ātri). 1891. gadā Viljama Krūka rakstā tika minēts: „Oklūzija gāzes visuma vakuumā.” Pat līdz 1912. gadam astrologs Henrihs Pikerings komentēja: „Kamēr starpzvaigžņu absorbējušā vide varbūt ir vienkārša, tajā pašā laikā tai ir gāzu īpašības un brīvās gāzu molekulas noteikti tajā pastāv.”

Maikelsona-Morlija eksperiments 1887. gadā, izmantojot interferometru, lai censtos noteikt gaismas ātruma izmaiņu, kas radusies no Zemes griešanās attiecībā pret ēteri, nebija rezultāta, pierādot, ka šeit nav statika, tas, kas izplatās viscaur visumā un kas virzīja Zemi, kā jau domājams bija vējš. Tādēļ tikmēr, kamēr tur nav ēteris un gaisma tāpat var izplatīties, varam secināt, ka visums starp zvaigznēm nav pilnībā tukšs. Neskaitot dažādās daļiņas, kuras veido visuma (kosmisko) radiāciju, ir arī fotonu (gaismas) reliktstarojums, kas iekļauj termisku fonu, kas ir apmēram 2,7 K un tiek uzskatīts par atlieku, kas radusies Lielā sprādziena rezultātā. Neviens no šiem atklājumiem nozīmīgā veidā neietekmē Maikelsona-Morlija eksperimenta iznākumu.

Alberts Einšteins apgalvoja, ka fiziskie objekti neatrodas visumā, bet drīzāk tiem ir telpisks apjoms. Skatoties no šāda viedokļa, priekšstats par tukšu visumu zaudē savu jēgu. Drīzāk visums ir abstrakcija, balstīta uz apkārtējo objektu savstarpējo mijiedarbību. Vairāk vai mazāk, galvenā relativitātes teorija pierāda gravitācijas lauka izplatīšanos, kuru pēc Einšteina vārdiem varētu uzskatīt par ēteri ar īpašībām, kuras ir mainās katrā vietā. Kaut kam ir jābūt, taču, ne lai to piedēvētu pie materiālām īpašībām kā ātrums utt.

Pauls Diraks, 1930. gadā, vakuumu iedomājās, kā bezgalīgu, ar negatīvu enerģiju pildītu daļiņu jūru, tā saukto „Diraka jūru”. Šī teorija palīdzēja labāk izprast pareģojumus, kuri bija minēti viņa agrāk radītajā teorijā — Diraka vienādojums, un veiksmīgi ļāva pareģot pozitronu esamību, kura arī tika atklāta 1932. gadā. Taču par spīti agrajam atklājumam, tas drīz vien kļuva mazsvarīgs, pateicoties Kvantu lauku teorijai.

Kvantu mehānikas attīstība sarežģīja jaunākos atklājumus par vakuumu, jo radās nepieciešamība pēc aleatorikas. Nīlsa Bora un Venera Heinzberga neskaidrie principi un 1927. gadā formulētais Kopenhāgenas skaidrojums, iepriekš noteica pamatprincipu nenoteiktību jebkādu daļiņu atrašanās vietas un inerces mērīšanā, un tas, ne tā kā gravitācijas lauks, rada jautājumu par visuma tukšumu starp daļiņām. 20. gadsimta beigās, šis princips tika izprasts un arī noteica pamatā esošu nenoteiktību daļiņu skaitā, kāda visuma reģionā, novedot pie pieņēmumiem par virtuālajām daļiņām, kuras spontāni varētu uzrasties no tukšuma. Citiem vārdiem sakot, vakuumam ir zemāka robeža ar tajā esošu viszemāk iespējamo kvantizēto lauku enerģijas stāvokli jebkurā visuma reģionā.

Kvantu mehānikas definēšana 
Kvantu mehānikā vakuums ir definēts kā stāvoklis ar vismazāko enerģiju. Lai paskaidrotu, tas ir vienkāršs stāvoklis, bez elementārdaļiņām, tādēļ arī tāds nosaukums.

Pat ideāls vakuums, pēc mūsu domām, pilnīgi tukšs no visa, praktiski nekad nepaliks pavisam tukšs. Aplūkojam vakuuma kameru, kas ir pilnībā iztīrīta, tātad (klasiski) daļiņu koncentrācija ir nulle. Kameras sienas izstaros gaismu melna ķermeņa radiācijas formā. Šī gaisma vada impulsus, tādēļ vakuumam ir radiācijas spiediens. Šī īpašība piemīt pat starpzvaigžņu telpas vakuumam. Pat ja daļa no kosmosa nesatur elementārdaļiņas, Kosmisko Mikroviļņu Pamats aizpilda visu visumu ar melna ķermeņa radiāciju.

Ideāls vakuums nevar eksistēt pat molekulā. Katrs atoms molekulā ir kā iespējama kosmosa funkcija, kurai ir noteikta nenulles vērtība visā noteiktajā tilpumā. Kosmosu nevarētu saukt par vakuumu, jo pat „starp” atomiem ir noteikta iespējamība atrast elementārdaļiņas.

Pašos pamatos, Kvantu mehānika paredz, ka vakuuma enerģija būs savādākā nekā tā ir parastajā, klasiskajā variantā. Kvantu enerģijas labojums, tiek saukts par nulles punkta enerģiju un sastāv no virtuālu elementārdaļiņu, kam ir īss eksistences ilgums, enerģijas. Tās sauc par vakuuma svārstībām. Vakuuma svārstības arī var būt saistītas ar kosmoloģijas tā saucamo kosmoloģisko konstanti. Labākais vakuuma svārstību pierādījums ir Kazimira efekts un Lamb shift.

Kvantu lauka teorijā un virknes teorijā, termins „vakuums” tiek izmantots, lai attēlotu zemes stāvokli Hilberta izplatījumā, kas ir stāvoklis ar vismazāko iespējamo enerģiju. Brīvajās (nemijiedarbojošajajās) kvantu lauka teorijās, šis stāvoklis ir līdzīgs zemes stāvoklim kvantu harmoniskajā oscilatorā. Ja teorija pastāv pateicoties klasisko teoriju kvantēšanai, katrs enerģijas nekustīgais punkts konfigurāciju izplatījumā dod risku vienīgajam vakuumam. Virknes teorija tic, ka ir daudzi vakuuma veidi — tā saucamā virknes teorijas ainava.

Sūknēšana 

Šķidrumi nevar būt izstiepti, tāpēc radīt vakuumu sūknējot ir tehniski neiespējami. Sūknējot var izplatīt un atšķaidīt vakuumu, ļaujot augstam spiedienam iegrūst šķidrumus tajā. Vakuums tika radīts pirmais, pirms sūknēšana varēja ienākt prātā. Vieglākais ceļš, lai radītu mākslīgu vakuumu, ir paplašināt konteinera apjomu. Piemēram, diafragmas muskulis uzbriedina krūts iedobi, kas arī ir iemesls tam, ka plaušu apjoms palielinās. Šis paplašinājums pazemina spiedienu un rada daļēju vakuumu, kurš, pateicoties atmosfēras spiedienam, tiek drīz piepildīts ar gaisu.

Lai turpinātu izsūknēt kameru, neskaidri, bez prasības bezgalīgi augt, vakuuma nodalījums var būt vairākkārt taisīts ciet, novārdzināts, un attīstīties no jauna. Šis ir princips aiz pozitīvajiem, aizvietojamajiem sūkņiem, līdzīgi piemēram rokas ūdens sūknim. Iekšpus sūkņa, mehānisms uzbriedina mazliet aizzīmogoto iedobi, lai radītu vakuumu. Ietekmīgā diferenciāļa dēļ, kāds šķidrums no kameras (vai labais, mūsu piemērā) tiek iestumts sūkņa mazajā iedobē. Sūkņa iedobe tad tiek noblombēta no kameras, atveras pie atmosfēras, un saspiežas atpakaļ pie minūtes izmēra.

Iepriekšminētais paskaidrojums ir vienīgi vienkāršs ievads pie vakuuma sūknēšanas, un nav raksturīgs lielākajai daļai izmantojamo sūkņu. Ir tikušas attīstītas daudzas variācijas drošajiem aizvietotājsūkņiem, un daudzi citi sūkņi pamatā balstās uz būtiski atšķirīgiem principiem. Impulsu pārraižu sūkņi, kuri ir nedaudz līdzīgi dinamiskiem sūkņiem, kurus izmanto pie augsta spiediena, var sasniegt daudz augstākas kvalitātes vakuumu, nekā dinamiskie sūkņi. Provokatīvie sūkņi var noturēt gāzes cietā vai absorbējošā stāvoklī, bieži pat bez kustīgām daļiņām, izolācijas un vibrācijām. Neviens no šiem sūkņiem nav universāls; katram tipam ir svarīgi izstrādes ierobežojumi. Tiem visiem ir grūtības sūknējot zema molekulārā svara gāzes, īpaši ūdeņradi, hēliju, un neonu.

Zemākais spiediens, kas var tikt sistēmā sasniegts, ir atkarīgs arī no citām lietām, nevis tikai no sūkņa veida. Daudzie sūkņi var būt saslēgti sērijās, ko sauc par pakāpēm, lai sasniegtu augstāku vakuumu. Visam ir ietekme- gan izolācijas, gan kameras ģeometrijas, gan materiāla un izsūknēšanas procedūras izvēlei. Kopā, tās visas tiek sauktas par vakuuma tehnoloģijām. Dažreiz, gala spiediens nav vienīgais būtiskais rādītājs. Sūknēšanas sistēmas atšķiras pēc eļļas sajaukuma, vibrācijām, priekšrocībām gāzu sūknēšanā, sūknēšanas ātruma, mainīgajiem jaudas cikliem, izturības, vai noplūdes pieļaujamības.

Ļoti augsta vakuuma sistēmās, dažas ļoti nevajadzīgas noplūdes trajektorijas un atgāzēšanas avoti ir jāņem vērā. Ūdens izsūkšana no alumīnija un pallādija kļuva par nepieņemamu atgāzēšanas avotu, un pat smago metālu, piemēram, nerūsējošā tērauda un titāna, absorbēšanai jābūt nepieņemamai. Galējā vakuumā dažas eļļas un smērvielas iztvaikotu. Metāla kameras sienu caurlaidībai jābūt novērstai, un metāla uzmavas dzīslas virzienam jābūt paralēli plaknes uzmavai.

Zemākais spiediens, kas pagaidām ir sasniedzams laboratorijā ir apmēram 10−13 Torr. Tik un tā, spiediens, kas zemāks kā 5×10−17 Torr, kriogēnajās vakuuma sistēmās tiek neprecīzi nomērīts: 4 K.

Atgāzēšana 
Iztvaikošana un sublimācija vakuumā tiek dēvēta par atgāzēšanu. Visiem materiāliem, cietiem vai šķidriem, ir mazs tvaika spiediens, un to atgāzēšana kļūst svarīga kad vakuuma spiediens kļūst mazāks par šo tvaika spiedienu. Mākslīgās sistēmās, atgāzēšanai ir tāds pats efekts kā noplūdei un tā var ierobežot sasniedzamo vakuumu. Atgāzēšanas produkcijas var kondensēties uz tuvējās aukstās virsmas, kas var būt traucējoši, ja tiek aptumšoti optiskie instrumenti vai reaģēts ar citiem materiāliem. Tam ir liela nozīme kosmiskajās misijās, kur aptumšots teleskops vai saules šūna var izpostīt ļoti dārgu misiju.

Īpaši izplatīts atgāzēšanas produkts mākslīgajās vakuuma sistēmās ir ūdens absorbēšana pateicoties kameras materiāliem. Tie var būt samazināti pateicoties izžāvēšanai vai kameras apdedzināšanai, un absorbējošu materiālu pārvietošanai. Atgāzēts ūdens var kondensēties eļļā no rotējošās turbīnas sūkņa un krasi saīsināt tā tīkla ātrumu, ja gāzes nosvērtība netiek izmantota. Augstām vakuuma sistēmām vajag būt tīram un brīvām no organiskajām vielām lai samazinātu līdz minimumam atgāzēšanu.

Ļoti augsta vakuuma sistēmas parasti tiek apdedzinātas, vēlamākais zem vakuuma, pie pagaidām pacelta tvaika spiediena visos atgāzētajos materiālos, un uzvārītas. Kamēr atgāzēto materiālu masa tiek „cepta” un izretināta, sistēma var būt atvēsināta lai pazeminātu tvaika spiedienu un samazinātu līdz minimumam atlikušo atgāzēšanu notiekošās darbības laikā. Dažas sistēmas tiek atvēsinātas zemajā istabas temperatūrā ar šķidro slāpekli, lai pabeigtu atlikušo atgāzēšanu un vienlaikus cryopump sistēmu.

Kvalitāte 
Vakuuma kvalitāte tiek norādīta pēc vielas atlikuma daudzuma sistēmā, tā kā ka augsts kvalitatīvs vakuums ir viens, ar ļoti mazu vielas atlikumu tajā. Vakuums tiek vispirms nomērīts pēc tā absolūtā spiediena, bet pilnam raksturojumam nepieciešami tālāki parametri, kā, piemēram, temperatūra un ķīmiskais sastāvs. Viens no svarīgākajiem parametriem ir Brīvā noskrējiena garums (MFP) atlikušajās gāzēs, kas norāda vidējo attālumu, ko molekulas noceļos starp savstarpējām sadursmēm. Kā gāzes blīvums samazinās, MFP palielinās, un kad MFP ir garāks nekā kamera, sūknis, lidaparāts, vai cits objekts, pārējie pieņēmumi hidromehānikā nepiepildās. Šis vakuuma stāvoklis tiek dēvēts par augstu vakuumu, un mācība par šķidruma plūšanu šajā režīmā tiek dēvēta par gāzes daļiņu dinamiku. Gaisa MFP atmosfēras spiedienā ir ļoti īss, 70 nm, bet pie 100 mPa (≈1×10-3 Torr) istabas temperatūras gaisa MFP ir aptuveni 100 mm, kas ir daudzos ikdienas objektos, piemēram, elektronu lampa. Crookes radiometrs pagriežas, kad MFP ir liels nekā spārnu izmērs.
Vakuuma kvalitāte ir sadalīta apakšgrupās saskaņā ar tehnisko zinātņu prasību sasniegt to vai izmērīt. Šiem slāņiem nav vispārīgi apstiprinātu definīciju, bet tipiskais sadalījums ir sekojošs:

 Atmosfēras spiediens ir mainīgs, bet standarts ir 101,325 kPa (760 torr)
 Zems vakuums jeb nelīdzens vakuums vai zemas kvalitātes vakuums, ir vakuums, kas var tikt sasniegts vai nosvērts ar rudimentāru (elementāru) aprīkojumu, piemēram, putekļsūcēju un šķidras tilpnes manometru.
 Vidējs vakuums ir vakuums, kas var tikt sasniegts ar atsevišķu sūkni, bet ir pārāk zems lai to izmērītu ar šķidrumu vai mehānisko manometru. Tas var būt nomērīts ar McLeod standartmēru, siltuma standartmēru vai tilpuma standartmēru.
 Augsts vakuums ir vakuums kur atlikuma gāžu MFP ir garāks nekā sūkņa izmēri vai izmēģinājuma objekta izmēri. Augsts vakuums parasts pieprasa daudzpakāpju pārsūknēšanu un jonu standartmēra mērīšanu. Daži teksti diferencējas starp augstu vakuumu un ļoti augstu vakuumu.
 Ļoti augsts vakuums pieprasa kameras apdedzināšanu, lai pārvietotu gāzes pēdas, un citas speciālas procedūras. Britu un vācu standarti noteic ļoti augstu vakuumu kā spiedienu, kas ir zemāks par 10-6 Pa (10-8 torr).
 Tālākais kosmoss ir kopumā daudz tukšāks nekā jebkurš mākslīgs vakuums, kuru mēs varam radīt. Tas var atbilst vai neatbilst iepriekš sniegtajai augsta vakuuma definīcijai, atkarībā no izplatījuma reģiona un astronomiskajiem ķermeņiem, kas tiek aplūkoti. Piemēram, starpplanētu izplatījumā MFP ir mazs nekā saules sistēmas izmērs, bet lielāks nekā mazās planētas un pavadoņi. Rezultātā saules vēji lieliski pierāda nepārtraukto plūsmu saules sistēmas mērogā, bet vajag būt aplūkotam, kā daļiņas bombardē neatkarīgi no Zemes un Mēness.
 Perfekts vakuums ir ideāls stāvoklis, kurš nav ne iegūstams laboratorijā, ne arī sastopams kosmosā.

Piemēri

Fizikālais vakuums 
Fizisko vakuumu mūsdienu fizikā saprot kā izplatījumu, kurš ir pilnībā tukšs no matērijas. Pat ja izdotos iegūt šo stāvokli praksē, tas nebūtu absolūts tukšums. Kvantu lauka teorija apgalvo, ka, piekrītot nenoteiktības principam, fiziskā vakuumā pastāvīgi „dzimst” un „zūd” virtuālas daļiņas: notiek tā saucamo nulles svārstību kustība. Dažās konkrētās lauka teorijās vakuums ir apveltīts ar netriviālām, tipoloģiskām īpašībām, u.c., tāpat teorijā var eksistēt daži atšķirīgi vakuumi, kas atšķiras ar enerģijas blīvumu, utt.

Daži no lauka teorijas pareģojumiem jau ir tikuši veiksmīgi apstiprināti ar eksperimentiem. Piemēram, Kazimira efekts un atoma līmeņu Lembovskija nobīde skaidrojas ar elektromagnētiskā lauka nulles svārstību fiziskajā vakuumā. Daži citi priekšstati par vakuumu bāzējas uz mūsdienu fizikas teorijām. Piemēram, dažu vakuumu stāvokļu (tā saucamo melu vakuumu) eksistence ir viena no Lielā sprādziena inflācijas teorijas galvenajiem pamatiem.

Bet droši vien pati pārskatāmākā no parādībām, kuras nedrīkst izskaidrot, neizmantojot ideju par nulles vakuuma svārstību, ir spontāns izstarojums. Pārsteidzoši, bet pašas parastākās kvēlspuldzes spontāni nespīdētu, ja vien vakuums nebūtu absolūts tukšums. Svarīgākais ir tas, ka jebkurš objekts (tas nozīmē arī uzlādētais atoms), kas ir novietots absolūti tukšā izplatījumā, pārstāv noslēgtu sistēmu. Bet tā kā tāda sistēma ir stabila laikā, tad izstarojums nenotiktu. Jau no šā vienkāršā spriedelējuma saprotams, ka spontāna izstarojuma paskaidrojums pieprasa sarežģītāka vakuuma modeļa saistīšanu, ar ko klasisks absolūts tukšums.

Tehniskais vakuums 
Tiek pielietots parasti pie gāzes, kas aizpilda ierobežotu apjomu. Makroskopiskos apjomos ideāls vakuums ir neaizsniedzams praksē, tā kā pie galīgas temperatūras visi materiāli ir apveltīti ar piesātinātu tvaiku un nenulles blīvumu. Bez tam, daudzi materiāli (tai skaitā resni metāliski, stiklaini un citādāki trauki) ielaiž gāzes. Tomēr mikroskopiskos apjomos panākt ideālu vakuumu principā ir iespējams.

Praksē spēcīgi izlādētu gāzi sauc par tehnisko vakuumu. Stingri runājot, tehnisko vakuumu sauc par gāzi traukā vai cauruļvadā ar zemāku spiedienu, nekā apkārtējā atmosfērā. Saskaņā ar citu definīciju, kad molekulas vai gāzes atomi pārstāj sadurties viens ar otru, un gāzes dinamiskās īpašības nomainās pret viskozajām īpašībām (pie spiediena aptuveni 1 Torr), kas runā par zema vakuuma sasniegšanu. Parasti zema vakuuma sūknis stāv starp atmosfēras gaisu un augsta vakuuma sūkni, radot iepriekšēju retinājumu, tādēļ zemu vakuumu bieži dēvē par pirmējo vakuumu. Pie tālākas spiediena pazemināšanās kamerā, palielinās gāzes molekulu brīvā noskrējiena vidējais garums „l”. Pie „l”>> „d”, kur d — kameras izmēri, gāzes molekulas jau nevis saduras viens ar otru, bet gan brīvi pārvietojas no sieniņas līdz sieniņai, šajā gadījumā runā par augstu vakuumu (10−5 Torr). Īpaši augsts vakuums atbilst spiedienam 10−9 Torr un zemāk. Salīdzinājumam, spiediens kosmosā dažas kārtas zemāk, tālākā kosmosā pavisam var sasniegt 10−30 Torr un zemāk.

Augsts vakuums dažu kristālu mikroskopiskājās porās tiek sasniegts pie atmosfēras spiediena, kas ir saistīts tieši ar gāzes brīvā noskrējiena garumu.

Aparāti, kas ir izmantojami vakuuma sasniegšanai un atbalstam, dēvējas par vakuuma sūkņiem. Gāzes un nepieciešamās vakuuma pakāpes radīšanas pārņemšanai tiek izmantoti „saņēmēji”. Plašāku terminu vakuuma tehnika iekļauj dažādus aparātus — mērījumiem un vakuuma kontrolei, manipulēšanai ar priekšmetiem un tehnoloģisku operāciju iegrāmatošanai vakuuma kamerā, utt.

Ir vērts atzīmēt, ka pat ideālā vakuumā pie galīgas temperatūras vienmēr pastāv kāds siltuma izstarojums (fotonu gāze). Tādējādi, ķermenis, kas ir novietots ideālā vakuumā, agri vai vēlu būs siltuma līdzsvarā ar vakuuma kameras sieniņām uz apmaiņas rēķina ar siltuma fotoniem

Mērīšana 

Vakuumu mēra spiediena vienībās. Spiediens SI vienībās ir paskāls (simbols Pa), bet vakuumu parasti mēra torros (simbols Torr), tā nosaukts par godu Toričelli, viens no pirmajiem itāļu fiziķiem (1608—1647). Tors ir vienāds ar dzīvsudraba milimetra (mm Hg) aizvietojumu, manometrā 1 Torr ir vienāds ar 133.3223684 paskāliem virs absolūtās nulles spiediena. Vakuums bieži ir mērīts arī barometra skalā izmantojot inHg vai atmosfēras spiediena procentos, bāros, atmosfērās. Zemu vakuumu parasti mēra collās no dzīvsudraba (inHg), milimetros no dzīvsudraba (mm Hg), vai kilopaskālos (kPa) zem atmosfēras spiediena. „Zem atmosfēras” nozīmē, ka absolūtais spiediens ir vienāds ar esošais atmosfēras spiediens (piemēram, 29.92 inHg) mīnus vakuuma spiediens, tais pašās vienībās. Tāpēc vakuums no 26 inHg ir vienāds ar absolūto spiedienu no 4 inHg (29.92 inHg — 26 inHg).

Lai izmērītu spiedienu vakuumā tiek izmantotas daudzas ierīces, parādod kāds vakuums ir vajadzīgs.

Hidrostatiskie mērinstrumenti (tādi kā dzīvsudraba stabiņu manometrs) sastāv no caurules, kurā ir vertikāli šķidruma stabiņi, kuru beigas ir atklātas dažādiem spiedieniem. Stabiņš nokrītas vai paaugstinās līdzko izmainās spiediena līdzsvars starp abām caurules izejām. Vienkāršākais caurules dizains ir U veida caurule ar slēgtām beigām, kuras viena puse ir pievienota interesējošajam reģionam. Var tikt izmantots jebkurš šķidrums, bet visieteicamākais ir dzīvsudrabs, jo tam ir augsts blīvums un zems iztvaikošanas spiediens. Vienkāršie hidrostatiskie mērinstrumenti var izmērīt spiedienu rādiusā no 1 Torr (100 Pa) līdz augstajām atmosfērām. Sbarīga variācija ir McLeoda mērinstruments, kurš izolē pazīstamās vakuuma daļas un saspiež tās vairākās vairāku veidu šķidrās kolonās. McLeoda mērinstruments var izmērīt vakuumu augstumā 10−6 Torr (0.1 mPa), kas ir mazākais spiediena mērījums, kas ir iespējams ar pašreizējajām tehnoloģijām. Citi mērinstrumenti var izmērīt mazāku spiedienu, bet tikai aptuveni ar mērījumiem no citām spiediena-kontroles īpašībām. Šiem netiešajiem mērījumiem jābūt kalibrētiem ar tiešiem mērījumiem, visbiežāk ar McLeoda mērinstrumentu.

Mehāniski vai elastīgi mērinstrumenti ir atkarīgi no Burdona caurules, diafragmas, vai kapsulas, parasti gatavotas no metāla, kurš maina formu spiediena skartajā apgabalā. Šīs idejas variācija ir kapacitātes manometrs, kurā diafragma veido daļu kondensatora. Izmaiņas spiedienā noved pie diafragmas izliekšanās, kā rezultātā mainās kapacitāte. Šie mērinstrumenti ir efektīvi no 10−3 torr līdz 10−4 torr.

Siltuma vadītspējas mērinstrumenti paļaujas uz faktu, ka gāzes spēja vadīt siltumu samazinās līdz ar spiedienu. Šāda veida mērinstrumentos, kvēldiegs tiek sakarsēts caur to plūstot strāvai. Termoelements vai Pretestības Temperatūras Detektors (RTD) var pēc tam tikt izmantots, lai izmērītu kvēldiega temperatūru. Šī temperatūra ir atkarīga no lieluma, kurā kvēldiegs zaudē siltumu līdz apkārtējās gāzes siltumam, un tādēļ arī no siltuma vadītspējas. Pieņemamākais variants ir Pirani mērinstruments, kur izmanto vienu platīna kvēldiegu gan kā sakarsēto elementu, gan kā RTD. Šie mērinstrumenti ir precīzi no 10 torr līdz 10−3 torr, bet tie ir jūtīgi pret ķīmiskiem maisījumiem ar ko gāzes var būt sajaukušās.

Jonu mērinstrumenti tiek izmantoti sevišķi augstā vakuumā. Tie iedalās divos tipos: karsta katoda un auksta katoda. Karstā katoda versijā elektrisks uzkarsēts kvēldiegs izraisa elektronu staru kūli. Elektroni ceļo caur mērinstrumentu un jonizē gāzes molekulas apkārt tam. Rezultātā joni tiek savākti uz negatīva elektroda. Strāva ir atkarīga no jonu skaita, kurš ir atkarīgs no spiediena mērā. Karstā katoda mērinstrumenti ir piemēroti no 10−3 torr līdz 10−10 torr. Princips aukstā katoda versijai ir tāds pats, izņemot tas, ka elektroni tiek radīti augstsprieguma elektriskas izlādēšanās rezultātā. Aukstā katoda mērinstrumenti ir piemēroti no 10−2 torr līdz 10−9 torr. Jonizēto mērinstrumentu kalibrēšana ir ļoti jūtīga pret ģeometrijas konstruēšanu, gāzes ķīmisko sastāvu sajaukšanos, koroziju un virsmas nogulsnēm. To kalibrēšana var būt neiespējama dēļ radioaktivizēšanas atmosfēras spiedienā vai zemajā vakuumā. Gāžu sastāvs augstā vakuumā parasti būs neparedzams, tāpēc masas spektrometram vajag būt izmantotam savienojumā ar jonizēto mērinstrumentu, lai nodrošinātu precīzus mērījumus.

Īpašības 
Līdzko vakuums pietuvojas pilnībai, dažas kosmosa īpašības pietuvojas nenulles stāvoklim. Ideāls stāvoklis, kas varētu tikt sasniegts ideālā vakuumā, tiek saukts par brīvā izplatījuma konstanti. Dažas parastās sakarības ir šādas:

 Gaismas ātrums c tuvojas gaismas ātrumam vakuumā c0  299,792,458 m/s, bet vienmēr ir lēnāks.
 Laušanas koeficients n tuvojas 1, bet vienmēr ir par to lielāks.
 Elektriskā Permittivity (ε) tuvojas elektriskajai konstantei ε0 ≈ 8,8541878176x10−12, faradi uz metriem (F/m).
 Elektromagnētisms (μ) tuvojas magnētiskajai konstantei μ0  4π×10−7 N/A2.
 Raksturīgā pilnā pretestība (η) tuvojas raksturīgajai vakuuma pilnajai pretestībai Z0 ≈ 376,73 Ω.

Atsauces

Ārējās saites 

Jēdzieni fizikā
Gāzes
Tehnika