Próżnia - Polski Serwis Naukowy

Prosta pompa do ilustracji zjawiska próżni

Komora próżniowa (NASA)

Próżnia – w rozumieniu tradycyjnym pojęcie równoważne pustej przestrzeni. We współczesnej fizyce, technice oraz rozumieniu potocznym pojęcie próżni posiada zupełnie odmienne konotacje.

Próżnia w sensie fizyki

W fizyce teoretycznej termin próżnia oznacza stan o najniższej energii.

Taon – cząstka elementarna z grupy leptonów obdarzona ładunkiem ujemnym, średnim czasem życia 3×10−13 sekundy i dużą masą 1777 MeV / c2 = 3,17×10−27kg (porównując 939 MeV / c2 dla protonu i 0,511 MeV / c2 dla elektonu). Odpowiadająca mu antycząstka to antytaon. Taony zostały odkryte w 1975 roku przez Martina Lewisa Perla.
Grawitacja (ciążenie powszechne) - jedno z czterech oddziaływań podstawowych, będące zjawiskiem naturalnym polegającym na tym, że wszystkie obiekty posiadające masę oddziałują na siebie wzajemnie przyciągając się.

Historia pojęcia

Istnienie i sposób rozumienia pojęcia próżni zmieniało się w historii fizyki. W starożytnej koncepcji atomistycznej Leukipposa i Demokryta materialne atomy poruszały się w próżni. Arystoteles przyjmował nieograniczoną podzielność ciał materialnych i negował istnienie próżni. Jego następcom przypisuje się znane powiedzenie natura nie znosi próżni (horror vacui). Poglądy Arystotelesa i jego następców na temat próżni przyjmowane były w zasadzie bez większych zastrzeżeń w okresie średniowiecza. Na przełomie XVI i XVII wieku istnienie próżni zostało wykazane empirycznie przez Torricellego (doświadczenie Torricellego). Pojęcia tego używał też Galileusz. Pojęcie próżni występuje wyraźnie w pracach Newtona, a podstawowe reguły mechaniki newtonowskiej sformułowane są w odniesieniu do ruchu ciał materialnych w próżni. Z mechaniki newtonowskiej pochodzi potoczne rozumienie próżni jako spójnego obszaru przestrzeni, w której nie ma cząstek obdarzonych masą. Stan ten nazywa się też czasem próżnią absolutną. Pod koniec XIX wieku w związku z hipotezą wypełniającego przestrzeń eteru jako nośnika fal elektromagnetycznych zaczęto kwestionować istnienie próżni. Jednakże negatywny wynik doświadczeń mających na celu wykrycie eteru (zwłaszcza doświadczenia Michelsona-Morleya) spowodował utrwalenie pojęcia próżni.

Empiryzm (od gr. ἐμπειρία empeiría – "doświadczenie") – doktryna filozoficzna głosząca, że źródłem ludzkiego poznania są wyłącznie lub przede wszystkim, bodźce zmysłowe docierające do naszego umysłu ze świata zewnętrznego, zaś wszelkie idee, teorie itp. są w stosunku do nich wtórne.
Przestrzeń kosmiczna – przestrzeń poza obszarem ziemskiej atmosfery. Za granicę pomiędzy atmosferą a przestrzenią kosmiczną przyjmuje się umownie wysokość 100 km nad powierzchnią Ziemi, gdzie przebiega umowna linia Karmana. Ściśle wytyczonej granicy między przestrzenią powietrzną a przestrzenią kosmiczną nie ma. Fizycy przyjmują 80-100 km.

Mechanika klasyczna

W mechanice klasycznej próżnia oznacza obszar, w którym nie ma żadnych mogących oddziaływać ciał ani płynów.

Szczególna i ogólna teoria względności

Pojęcie próżni występuje też w szczególnej teorii względności, której jednym z fundamentalnych postulatów jest stała wartość prędkości światła w próżni, rozumianej jako próżnia absolutna. Natomiast ogólna teoria względności wprowadza nowy sposób rozumienia próżni i w ogóle całej przestrzeni łącząc jej krzywiznę z istnieniem ciał materialnych i oddziaływaniem grawitacyjnym. W ogólnej teorii względności absolutna próżnia nie istnieje, gdyż cała przestrzeń wypełniona jest oddziaływaniem grawitacyjnym.

Mechanika kwantowa (teoria kwantów) – teoria praw ruchu obiektów świata mikroskopowego. Poszerza zakres mechaniki na odległości czasoprzestrzenne i energie, dla których przewidywania mechaniki klasycznej nie sprawdzały się. Opisuje przede wszystkim obiekty o bardzo małych masach i rozmiarach - np. atom, cząstki elementarne itp. Jej granicą dla średnich rozmiarów lub średnich energii czy pędów jest mechanika klasyczna.
Foton (gr. φως – światło, w dopełniaczu – φοτος) jest cząstką elementarną nie posiadającą ładunku elektrycznego ani momentu magnetycznego, o masie spoczynkowej równej zero (m0 = 0), liczbie spinowej s = 1 (fotony są zatem bozonami). Fotony są nośnikami oddziaływań elektromagnetycznych, a ponieważ wykazują dualizm korpuskularno-falowy są równocześnie falą elektromagnetyczną.

Mechanika kwantowa

W mechanice kwantowej i elektrodynamice kwantowej punktowe cząstki elementarne poruszają się w absolutnej próżni, a oddziaływania między nimi przenoszone są poprzez nośniki oddziaływań elektromagnetycznych (fotony). Elektrodynamika kwantowa przewiduje istnienie cząstek wirtualnych, co zostało potwierdzone doświadczalnie oraz tzw. polaryzacji próżni.

Akcelerator – urządzenie służące do przyspieszania cząstek elementarnych lub jonów do prędkości bliskich prędkości światła. Cząstki obdarzone ładunkiem elektrycznym są przyspieszane w polu elektrycznym. Do skupienia cząstek w wiązkę oraz do nadania im odpowiedniego kierunku używa się odpowiednio ukształtowanego, w niektórych konstrukcjach także zmieniającego się w czasie, pola magnetycznego lub elektrycznego.
Europejska Organizacja Badań Jądrowych CERN (fr. Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) — ośrodek naukowo-badawczy położony na północno-zachodnich przedmieściach Genewy na granicy Szwajcarii i Francji, pomiędzy Jeziorem Genewskim a górskim pasmem Jury. Obecnie do organizacji należy dwadzieścia państw. CERN zatrudnia 2600 stałych pracowników oraz około 8000 naukowców i inżynierów reprezentujących ponad 500 instytucji naukowych z całego świata. Najważniejszym narzędziem ich pracy jest największy na świecie akcelerator cząstek – Wielki Zderzacz Hadronów.

W obowiązującym obecnie modelu standardowym stanowiącym połączenie chromodynamiki kwantowej i teorii oddziaływań elektrosłabych próżnia jest stanem o najniższej lecz na ogół niezerowej energii, z czym związane jest tzw. łamanie symetrii próżni. Istnienie energii próżni wykazały doświadczenia potwierdzające istnienie tzw. efektu Casimira.

Fizyka teoretyczna – sposób uprawiania fizyki polegający na matematycznym opisie praw przyrody, tworzeniu i rozwijaniu teorii, z których wnioski mogą być sprawdzone doświadczalnie. Przykładem jest fizyka matematyczna opisująca zjawiska i teorie fizyczne korzystając z rozwiniętej aksjomatyki matematycznej i obiektów zdefiniowanych w podobny sposób, jak np. rozmaitości.
Krzywizna czasoprzestrzeni - jest to odstępstwo geometrycznych właściwości czasoprzestrzeni od tych, które są opisywane w ramach szczególnej teorii względności.

Tak rozumiana próżnia wypełniona jest co najmniej jednym polem chiralnym zwanym też polem Higgsa. Istnienie tego pola jest niezbędne dla nadania niezerowych mas leptonom, jak elektron, mion i taon oraz tzw. bozonom pośrednim stanowiącym nośniki oddziaływań słabych. Z istnieniem pola (pól) Higgsa o określonej skrętności związane jest istnienie kwantów tego pola (tych pól), tj. cząstki Higgsa lub całej rodziny cząstek Higgsa. Jak dotąd istnienie cząstki Higgsa nie zostało potwierdzone doświadczalnie ze względu na zbyt małą moc akceleratorów. Oszacowano jedynie dolną granicę jej masy na poziomie ok. 114 GeV/c² (ok. 120 razy więcej od masy protonu). Społeczność fizyków ma duże nadzieje, że doświadczenia, które mają być przeprowadzone w Wielkim Zderzaczu Hadronów (znajdującym się w CERN-ie w pobliżu Genewy) pozwolą na ostateczne rozstrzygnięcie problemu istnienia cząstki Higgsa.

Pompa jonowa (pompa jonowo-sorpcyjna) to rodzaj bezwylotowej pompy próżniowej. Istnieje wiele rozwiązań konstrukcyjnych pomp jonowych (np. pompa diodowa).
Fizyka doświadczalna - sposób uprawiania fizyki polegający na wykonywaniu pomiarów. Pomiar - ilościowe porównanie wartości wielkości mierzonej z wzorcem - powinien być powtarzalny w czasie w granicach niepewności pomiarowej. Fizyka doświadczalna pozwala weryfikować prawa fizyki, otrzymane w ramach fizyki teoretycznej. Z drugiej strony ona sama nie może być uprawiana bez teorii, która pozwala formułować te prawa.

W kwantowej teorii pola przez próżnię rozumie się często nieograniczony rezerwuar cząstek nieoddziałujących silnie i elektromagnetycznie, lecz oddziałujących słabo. Tak rozumiane pojęcie próżni odbiega bardzo od potocznego i technicznego znaczenia słowa próżnia.

W fizyce współczesnej (zarówno ogólnej teorii względności jak i w modelu standardowym) pojęcie próżni absolutnej jest pozbawione jakiegokolwiek konkretnego, fizykalnego znaczenia. Próżnia absolutna jest stanem czysto teoretycznym i nie tylko niemożliwym do uzyskania w praktyce, lecz nieistniejącym w sensie fizycznym. Niemniej niektóre teorie używają w praktyce tego pojęcia, wprowadzając przybliżenia zakładające pomijanie słabszych oddziaływań (np. elektrodynamika kwantowa pomija istnienie oddziaływań słabych i grawitacyjnych).

Leucyp z Miletu (gr. Λεύκιππος Leukippos) – filozof grecki z V w. p.n.e., uznawany za twórcę atomizmu - teorii budowy materii, głoszącej, że jest ona zbudowana z małych, niepodzielnych cząstek (atomów), otoczonych próżnią i różniących się między sobą kształtem, położeniem i porządkiem. Atomy obdarzone są odwiecznym ruchem, popychając się i łącząc w znane nam rzeczy. Jedyny znany nam dosłowny fragment pism Leucypa (wszystkie inne zaginęły) każe nam uważać go za pierwszego deterministę: Nic nie dzieje się bez przyczyny, lecz wszystko z jakiejś racji i konieczności. Prawdopodobnie to jego dziełem był Wielki ład świata, włączony później do kanonu pism Demokryta.
Efekt Casimira - zjawisko fizyczne przyciągania pomiędzy dwiema pozbawionymi ładunku elektrycznego płytami wykonanymi z przewodnika spowodowane różnicą ciśnienia oddziałujących na nie cząstek wirtualnych. Pierwszy raz wystąpienie tego efektu w roku 1948 przewidział holenderski fizyk Hendrik B. G. Casimir pracujący w laboratoriach Philipsa.

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)