Vakuum

U klasičnoj fizici vakuum je prostor lišen materije. U savremenoj kvantnoj teoriji polja vakuum je ispunjen kvantnim fluktuacijama.

Vakumska pumpa i posuda za vakuumske eksperimente, korišćena u naučnom obrazovanju tokom ranog 20. vijeka, izložena u Schulhistorische Sammlung ("Školski historijski muzej"), Bremerhaven, Njemačka

Sama riječ vakuum je latinskog porijekla (od latinskog vacuus - prazan). Aproksimacija takvom vakuumu je područje s pritiskom plina mnogo manjim od atmosferskog.^[1] Fizičari često raspravljaju o idealnim rezultatima testova koji bi se desili u savršenom vakuumu, koji ponekad jednostavno zovu "vakuum" ili slobodni prostor, i koriste termin parcijalni vakuum da se odnose na stvarni nesavršeni vakuum kakav se može imati u laboratoriji ili svemiru. U inženjerstvu i primijenjenoj fizici, s druge strane, vakuum se odnosi na svaki prostor u kojem je pritisak znatno niži od atmosferskog.^[2] Latinski izraz in vacuo se koristi za opisivanje objekta koji je okružen vakuumom.

Kvalitet parcijalnog vakuuma odnosi se na to koliko se približava savršenom vakuumu. Druge stvari su jednake, niži pritisak gasa znači i kvalitetniji vakuum. Na primjer, tipičan usisivač proizvodi dovoljno usisavanja da smanji pritisak zraka za oko 20%.^[3] Ali kvalitetniji usisivači su mogući. Komore ultra visokog vakuuma, uobičajene u hemiji, fizici i inženjerstvu, rade ispod jednog triliontinskog (10-12) atmosferskog pritiska (100 nPa) i mogu doseći oko 100 čestica/cm³.^[4] Vakuum je još kvalitetniji vakuum, sa ekvivalentom od samo nekoliko atoma vodika po kubnom metru u prosjeku u međugalaktičkom prostoru.^[5]

Vakuum je bio česta tema filozofskih debata još od antičkih grčkih vremena, ali empirijski nije proučavan sve do 17. vijeka. Clemens Timpler (1605) je filozofirao o eksperimentalnoj mogućnosti stvaranja vakuuma u malim cijevima.^[6] Evangelista Torricelli proizveo je prvi laboratorijski vakuum 1643., a druge eksperimentalne tehnike su razvijene kao rezultat njegovih teorija atmosferskog pritiska. Torricellijski vakuum se stvara tako što se visoka staklena posuda zatvorena na jednom kraju napuni živom, a zatim se preokrene u posudi da zadrži živu.^[7]

Vakuum je postao vrijedan industrijski alat u 20. stoljeću uvođenjem sijalica sa žarnom niti i vakuumskih cijevi, a od tada je postala dostupna široka lepeza vakuumskih tehnologija. Razvoj ljudskih svemirskih letova podigao je interesovanje za uticaj vakuuma na ljudsko zdravlje i na oblike života uopšte.

Historijska interpretacija

Historijski gledano, bilo je mnogo sporova oko toga da li takva stvar kao što je vakuum može postojati. Drevni grčki filozofi raspravljali su o postojanju vakuuma, ili praznine, u kontekstu atomizma, koji je prazninu i atom postavljao kao osnovne elemente objašnjenja fizike. Lukrecije je zagovarao postojanje vakuuma u prvom vijeku p. n. e, a Heron je bezuspešno pokušao da stvori vještački vakuum u prvom vijeku.^[8]

Slijedeći Platona, međutim, čak se i apstraktni koncept praznine bez osobina suočio sa znatnim skepticizmom: nije mogao biti shvaćen osjetilima, nije mogao sam po sebi pružiti dodatnu snagu objašnjenja izvan fizičkog volumena s kojim je bio srazmjeran i, po definiciji, to je bilo bukvalno ništa, za šta se s pravom ne može reći da postoji. Aristotel je vjerovao da se nikakva praznina ne može pojaviti prirodno, jer bi gušći okolni materijalni kontinuum odmah ispunio svaku početnu rijetkost koja bi mogla dovesti do praznine. U svojoj Fizici, knjiga IV, Aristotel je ponudio brojne argumente protiv praznine: na primjer, da se kretanje kroz medij koji ne nudi nikakvu prepreku može nastaviti ad infinitum, jer nema razloga da bi nešto stalo bilo gdje posebno.

U srednjovjekovnom islamskom svijetu, fizičar i islamski učenjak Al-Farabi napisao je raspravu u kojoj je odbacio postojanje vakuuma u 10. stoljeću.^[9] Zaključio je da se zapremina vazduha može proširiti kako bi ispunila raspoloživi prostor, te je stoga koncept savršenog vakuuma bio nekoherentan.^[10] Prema Ahmadu Dallalu, Abū Rayhān al-Bīrūnī navodi da "nema vidljivih dokaza koji isključuju mogućnost vakuuma".^[11] Usisnu pumpu je opisao arapski inženjer Al-Džazari u 13. vijeku, a kasnije se pojavila u Evropi od 15. stoljeća.^[12][13]

Evropski naučnici kao što su Roger Bacon, Blasius od Parme i Walter Burley u 13. i 14. vijeku su usredsredili značajnu pažnju na pitanja koja se tiču ​​koncepta vakuuma. Uobičajeno mišljenje da se priroda gnuša vakuuma nazvano je horror vacui. Bilo je čak i nagađanja da čak ni Bog ne bi mogao stvoriti vakuum da je htio, a pariške osude biskupa Etiennea Tempiera iz 1277, koje su zahtijevale da ne postoje ograničenja Božjih moći, dovele su do zaključka da bi Bog mogao stvoriti vakuum ako bi tako želi.^[14] Od 14. vijeka nadalje sve više se udaljavajući od aristotelovske perspektive, naučnici su široko priznavali da natprirodna praznina postoji izvan granica samog kosmosa do 17. vijeka. Ova ideja, pod utjecajem stoičke fizike, pomogla je da se odvoje prirodni i teološki problemi.^[15]

Gotovo dvije hiljade godina nakon Platona, René Descartes je također predložio geometrijski zasnovanu alternativnu teoriju atomizma, bez problematične dihotomije ništa-sve praznine i atoma. Iako se Descartes složio sa savremenim stavom da se vakuum ne događa u prirodi, uspjeh njegovog istoimenog koordinatnog sistema i još implicitnije, prostorno-tjelesna komponenta njegove metafizike bi definisala filozofski moderan pojam praznog prostora kao kvantificiranog proširenje volumena. Međutim, prema drevnoj definiciji, informacije o smjeru i veličina bile su konceptualno različite.

Torricellijev živin barometar proizveo je jedan od prvih trajnih vakuuma u laboratoriji.

Srednjovjekovni misaoni eksperimenti sa idejom vakuuma razmatrali su da li je vakuum prisutan, makar samo na trenutak, između dvije ravne ploče kada su se brzo razdvojile.^[16] Bilo je mnogo diskusija o tome da li je vazduh ulazio dovoljno brzo dok su ploče bile odvojene, ili, kako je Walter Burley pretpostavio, da li je 'nebeski agens' spriječio nastanak vakuuma.

U 17. vijeku su prvi pokušaji da se kvantifikuju mjerenja djelimičnog vakuuma.^[17] Živin barometar Evangeliste Torricellija iz 1643. i eksperimenti Blaisea Pascala pokazali su djelomični vakuum.

Godine 1654. Otto von Guericke izumio je prvu vakuumsku pumpu^[18] i izveo svoj čuveni eksperiment hemisfera u Magdeburgu, pokazujući da, zbog atmosferskog pritiska izvan hemisfera, zaprege konja ne mogu da razdvoje dvije hemisfere iz kojih je zrak djelomično evakuisan. Robert Boyle je poboljšao Guerickeov dizajn i uz pomoć Roberta Hookea dalje razvio tehnologiju vakuum pumpe. Nakon toga, istraživanje parcijalnog vakuuma je prekinuto do 1850. kada je August Toepler izumio Toeplerovu pumpu i 1855. kada je Heinrich Geissler izumio pumpu za istiskivanje žive, postižući djelomični vakuum od oko 10 Pa (0,1 Torr). Brojna električna svojstva postaju vidljiva na ovom nivou vakuuma, što je obnovilo interesovanje za dalja istraživanja.

Dok svemir pruža najrazređeniji primjer prirodnog djelomičnog vakuuma, prvobitno se smatralo da su nebesa besprijekorno ispunjena krutim neuništivim materijalom zvanim eter. Pozajmivši donekle iz pneume stoičke fizike, eter se počeo smatrati razrijeđenim zrakom po kojem je dobio ime (vidi Eter (mitologija)). Rane teorije o svjetlosti su postavljale sveprisutni zemaljski i nebeski medij kroz koji se svjetlost širila. Dodatno, koncept je pružio informacije Newtonovu za objašnjenja i refrakcije i toplote zračenja.^[19] Eksperimenti iz 19. vijeka na ovom luminifernom eteru pokušali su otkriti malo otpora na Zemljinoj orbiti. Iako se Zemlja, u stvari, kreće kroz relativno gust medij u poređenju sa onim u međuzvjezdanom prostoru, otpor je toliko minuskulan da se ne može otkriti. Godine 1912, astronom Henry Pickering je komentarisao: "Dok je međuzvjezdani apsorbirajući medij možda jednostavno eter, [on] je karakterističan za plin, a slobodni plinoviti molekuli sigurno postoje."^[20] Nakon toga je, međutim, eter koji sadrži svjetlost odbačen.

Kasnije, 1930, Paul Dirac je predložio model vakuuma kao beskonačnog mora čestica koje posjeduju negativnu energiju, nazvano Diracovo more. Ova teorija je pomogla da se preciziraju predviđanja njegove ranije formulisane Diracove jednčine, i uspješno je predvidjela postojanje pozitrona, potvrđenog dvije godine kasnije. Werner Heisenbergov princip neodređenosti, formuliran 1927, predvidio je fundamentalnu granicu unutar koje se može mjeriti trenutni položaj i zamah, ili energija i vrijeme. Ove dalekosežne posljedice ugrozile su i postojanje "praznine" prostora između čestica.

Osobine vakuuma i njegova primjena

Kroz vakuum se prostiru svjetlost, čestice, čvrsta tijela, električno i magnetno polje ali ne i zvuk - za prostiranje zvuka potrebna je materija. Toplota se kroz vakuum prostire zračenjem (elektromagnetni talasi iz infracrvenog dijela spektra) ali ne i provođenjem. Provođenje toplote se odvija preko materijalnih nosilaca te je u prostoru niskog pritiska znatno slabije, otuda primjena vakuuma u termosima.

Vakuum se koristi u brojnim procesima i uređajima. Prva uobičajena primjena je bila u sijalicama sa vlaknom da se zaštiti volframovo vlakno od hemijske degradacije. Hemijska inertnost vakuuma se također koristi za zavarivanje elektronskim mlazom, za nabacivanje tankih slojeva isparavanjem, za suho nagrizanje u proizvodnji poluprovodnika, za nabacivanje optičkih slojeva, vakuumsko pakovanje itd. Smanjenje konvekcije (miješanja) poboljšava toplotnu izolaciju termos boca. Visoki vakuum potpomaže degaziranje što se koristi za sušenje zamrzavanjem i vakuumsku destilaciju. Osobina vakuuma da propušta elektrone bez rasijavanja dovela je do primjene u elektronskom mikroskopu, vakuumskim cijevima (prvi radio) i katodnim cijevima (prvi televizori). Uklanjanje trenja u vazduhu stvaranjem vakuuma koriti se u konstrukciji ultracentrifuga i deponovanje energije u zamajcima.