Kvant. Вакуум

А так ли хорошо знаком вам вакуум? // Квант. — 2002. — № 1. — C.32-33.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

...или ни один предмет никуда не перемещается по природе, или,
если это происходит, нет пустоты.
Аристотель

Всю, самое по себе, составляют природу две вещи:
Это, во-первых, тело, во-вторых же, пустое пространство,
Где пребывают они и где двигаться могут различно.
Тит Лукрецкий Кар

Многие говорили, что пустоты не существует, другие — что она существует,
но Природа испытывает к ней отвращение, и что создание такой пустоты требует усилий.
Эванджелиста Торричелли

Если впоследствии возникнут какие-либо иные взгляды на состояние или
свойства (пустого) пространства, то их нужно будет увязать со свойствами того, что мы
называем пустым пространством сейчас в соответствии с данными опытами.
Майкл Фарадей

Несомненно, что межпланетное и межзвездное пространство не суть пространство пустые,
но заняты материальной субстанцией или телом, самым обширным и, надо
думать, самым однородным, какое только нам известно.
Джеймс Клерк Максвелл

Проблема точного описания вакуума, по моему мнению, является основной проблемой,
стоящей в настоящее время перед физиками. В самом деле, если вы не можете описать
вакуум, то как можно рассчитывать на правильное описание чего-то более сложного?
Поль Дирак

Наш традиционный вопрос в данном случае удивительным образом созвучен тому, что был задан Мефистофелем Фаусту в знаменитой трагедии Гете: «Достаточно ль знаком ты с пустотой?» В нем — отражение интереса к одному из самых фундаментальных научных понятий, интереса, как свидетельствуют эпиграфы, проявившегося еще на заре возникновения научного знания и по сию пору тревожащего умы крупнейших мыслителей и ученых.

Немало трудов, имевших заголовки типа «Новые опыты с пустотой...», посвящались попыткам получить и исследовать вакуум. Но помимо чисто технических устремлений добиться в земных условиях как можно более «пустого» пространства, т. е. отсутствия вещества, исследователей волновал вопрос— а что же собой представляет то, что «осталось»? И действительно, идеальная в житейском понимании пустота, как выяснилось, обладает целым рядом поразительных свойств, влияя буквально на все, что в нее «погружено».

Этот так называемый физический вакуум (по современным представлениям) сыграл определяющую роль в образовании Вселенной; он содержит неисчислимые запасы энергии. Вакуум словно вспыхивает на короткое время рождающимися полями, кипит появляющимися на ничтожные мгновения парами виртуальных элементарных частиц. Вместо пустого «ничего» мы, благодаря ученым, обрели сложнейшее и насыщенное «нечто», таящее в себе еще множество загадок.

Не слишком ли сложна эта тема для «Калейдоскопа»? Разумеется, нет, поскольку с вакуумом мы невольно сталкиваемся с первых же шагов в изучении физики. Вспомните, например, выражения «торричеллиева пустота», «в отсутствие сопротивления воздуха», «на планете, лишенной атмосферы», «хорошо откачанная лампа» и так далее. Полагаем, что после небольших усилий эти шаги станут более уверенными, и вскоре вы сможете ответить на каверзный вопрос, как Фауст ответил Мефистофелю: «Дух пустоты, надеюсь, схвачен мной».

Вопросы и задачи

1. Куда направлено ускорение снаряда после вылета из ствола орудия, если сопротивлением воздуха: а) можно пренебречь; б) нельзя пренебречь?
2. Полый запаянный стеклянный шар уравновешен на весах гирей и помещен под колокол воздушного насоса. Сохранится ли равновесие, если выкачать из-под колокола воздух?
3. Удастся ли опыт Торричелли, если барометрическую трубку со ртутью поставить открытым концом в чашку не со ртутью, а с водой?
4. При постановке опыта Торричелли в столбике ртути оказался пузырек воздуха. Будет ли изменяться объем этого пузырька при изменении атмосферного давления?

   

5. Трубку ртутного барометра подвесили к динамометру. Что покажет динамометр?
6. Будут ли действовать в безвоздушном пространстве поршневые жидкостные насосы?
7. Под колоколом воздушного насоса стоит банка с водой, а в ней имеется пузырек воздуха. Будет ли изменяться объем пузырька при откачивании воздуха? Температура постоянна.
8. Капилляр опущен в сосуд с жидкостью, давлением паров которой можно пренебречь. Сосуд с капилляром находится в вакууме под колоколом воздушного насоса. Что можно сказать о давлении внутри жидкости в капилляре на какой-либо высоте от уровня жидкости в сосуде?

   

9. При всяких ли условиях газ заполняет весь предоставленный ему объем?
10. Для чего между стенками термоса создают вакуум?
11. Каким путем передает Солнце тепло Земле и другим планетам?
12. Всегда ли будет остывать тело, помещенное в вакуум (например, в космосе)?
13. Теплоизолированный сосуд откачан до глубокого вакуума. В некоторый момент открывают кран, и сосуд заполняется окружающим его одноатомным идеальным газом. Будет ли изменяться температура газа в сосуде по мере его заполнения?
14. В стенке сосуда с разреженным газом сделано малое отверстие. Как будет изменяться температура газа в сосуде при вытекании газа в вакуум?
15. Космонавт, находясь на поверхности Луны, вскрыл ампулу, заполненную водой. Что произойдет с водой?
16. Может ли звук сильного взрыва на Луне быть слышен на Земле?
17. Как изменялось бы с течением времени напряжение зажигания газосветной трубки на Луне или на какой-нибудь планете, лишенной атмосферы?
18. Зачем в электронно-лучевых и рентгеновских трубках, а также в ускорителях элементарных частиц создают высокий вакуум?
19. В некоторую точку пространства приходят два когерентных луча с определенной геометрической разностью хода. Изменится ли результат интерференции лучей, если опыт перенести из вакуума в воду или стекло?
20. С чем связана способность электронов обгонять свет в некоторых веществах (эффект Вавилова-Черенкова)?

Микроопыт

Поднесите ладонь руки к электрической лампе накаливания, не прикасаясь к ней. При включении лампы на короткое время рука сразу же ощутит тепло. Однако, погасив лампу, вы обнаружите, что ее стеклянный баллон не успел нагреться. Как же тепло от раскаленной нити передалось руке?

Любопытно, что

...по умозаключениям Аристотеля, в пустоте все тела падали бы на землю с одинаковыми скоростями, но так как пустота невозможна, то скорость падения должна быть пропорциональна весу тела. На этот так называемый закон Аристотеля опирались вплоть до работ Галилея и Ньютона.

...экспериментируя с «пустотой», Герике использовал изобретенный им воздушный насос, с помощью которого поставил множество оригинальных опытов и доказал, к примеру, что в безвоздушном пространстве гибнут птицы и животные, что помещенный в откачанный сосуд колокольчик перестает звенеть, что воздух занимает весь предоставленный ему объем и так далее.

...достигаемый в лабораторных условиях вакуум — отнюдь не абсолютная пустота, а лишь сильно разреженный газ. Даже в межпланетном пространстве, по оценкам, на каждый кубический сантиметр приходится по нескольку атомов водорода.

...скорость света — максимальная скорость передачи взаимодействий в природе — определяется электрическими и магнитными свойствами вакуума и может быть рассчитана исходя из значений электрической и магнитной постоянных.

...впервые роль вакуума для Вселенной была обоснована формулами и расчетами Полем Дираком, предсказавшим рождение электрон-позитронных пар с помощью фотонов и объяснившим это явление как преобразование вакуума.

...к концу XX века удалось точнейшим образом подтвердить так называемый эффект казимира — возникновение слабой электромагнитной силы между зеркалами, расположенными в вакууме на крохотном расстоянии друг от друга. Причиной этого взаимодействия может быть лишь «бурление» вакуума.

Что читать в «Кванте» о вакууме

(публикации последних лет)

1. «Как устроена пустота?» — 1996, Приложение №2, с. 102;
2. «Расширение газа в пустоту» — 1996, Приложение №4, с. 50;
3. «113 лет ошибке Эдисона» — 1996, №5, с. 9;
4. «Звон колокольчика» — 1997, №4, с. 42;
5. «Эстафетный бег молекул, или Как работает термос» — 1997, №5, с. 31;
6. «Вакуум» — 1998, №5, с. 2;
7. «Внутренняя энергия идеального газа» — 2000, №1 с. 38;
8. «Почему вращается вертушка?» — 2000, №4, с. 42;
9. «Хочешь общаться — излучай» — 2000, №5, с. 37;
10. «Лебедевские крылышки» — 2001, №2, с. 11.

Ответы

1. Ускорение: а) направлено вертикально вниз; б) отклонено от вертикали в направлении, противоположном движению снаряда.
2. Выталкивающая сила, действующая в воздухе на шар, больше выталкивающей силы, приложенной к гире, поскольку объем шара больше объема гири. В вакууме выталкивающие силы исчезнут, и шар перетянет.
3. Нет. Жидкость в трубке находится в неустойчивом равновесии, по-этому во втором случае ртуть, скорее всего, вытечет из трубки, а в образовавшийся вакуум ворвется вода.
4. Если над ртутью воздух отсутствует, объем пузырька меняться не будет.
5. На верхний торец трубки сверху действует сила атмосферного давления, которая ничем не компенсируется, так как над ртутью в трубке вакуум. Поэтому показания динамометра являются суммой веса трубки и силы атмосферного давления.
6. Нагнетающие насосы будут, всасывающие — нет.
7. При откачивании воздуха внутреннее давление воздуха в пузырьке становится больше внешнего, поэтому пузырек раздувается.
8. На уровне жидкости в сосуде давление равно нулю. А давление в точке, находящейся выше уровня жидкости в сосуде, меньше давления на этом уровне, значит, давление отрицательное — жидкость растянута.
9. Нет. Например, в очень высокой вертикальной трубе (сравнимой с высотой атмосферы) воздух займет лишь нижнюю ее часть.
10. Для уменьшения теплопроводности.
11. Путем излучения, так как теплопроводность или конвекция в меж-планетных пространствах практически невозможны.
12. Нет. Изменение температуры тела будет зависеть от баланса между излученной и поглощенной энергией.
13. При втекании порции газа в сосуд окружающий газ совершает над ней работу, которая идет на повышение внутренней энергии газа в сосуде и приводит к росту его температуры. Однако через достаточно большой промежуток времени температура выравнивается.
14. Температура газа будет уменьшаться за счет перехода части внутренней энергии газа в кинетическую энергию струи.
15. Вода одновременно будет кипеть и замерзать.
16. Нет. Для передачи звуковых волн нет среды.
17. Из-за диффузии газа из трубки длина свободного пробега электронов увеличивалась бы, а напряжение зажигания уменьшалось.
18. Чтобы избежать рассеяния частиц на молекулах, входящих в состав воздуха.
19. Да. Поскольку изменится оптическая разность хода лучей, определяемая показателем преломления среды.
20. В веществе скорость света меньше, чем в вакууме.

Микроопыт

От нити лампы к руке тепло передается излучением, не требующим наличия какой-либо промежуточной среды.

Материал подготовил А.Леонович