Классификация
Так как полного отсутствия вещества в заданном объёме добиться практических невозможно – на практике обычно используют понятие «технический вакуум» которым обозначают любую концентрацию вещества меньшую одной атмосферы (давление 101325 Па при концентрации частиц в 2,5*1019 на 1 см3). По соотношению размеров вакуумной камеры и длине свободного пробега молекул газа (средняя дистанция, которые молекулы пролетают между соударениями с друг другом) вакуум делят на низкий (пробег значительно меньше размеров камеры), средний (длина пробега сопоставима с размерами камеры) и высокий (камера значительно больше среднего пробега). В соответствии с этим высокого вакуума можно добиться как откачиванием из камеры воздуха, так и простым уменьшением размеров самой камеры (однако второй вариант на практике обычно применяется только для изучения физических свойств самого вещества в состоянии вакуума).
Встреча в природе
Как меняется атмосферное давление с высотой
Атмосферное давление быстро падает с высотой: так половина от всей атмосферы находится ниже высоты в 5 км, на высоте в 8 км давление воздуха составляет уже только 1/3 от давления на уровне моря (это является пределом для адаптации человека), а уже на высоте орбиты МКС (около 400 км) оно составляет всего 10-8 Па или около 1 млн частиц на 1 см3 – это очень малая величина, но она не нулевая и требует периодического подъёма орбиты станции (МКС даже разворачивает свои солнечные батареи, пролетая в тени Земли ради снижения этого пагубного эффекта):
Изменения орбиты МКС за последний год: длинные вертикальные линии — подъёмы орбиты
При удалении от Земли давление продолжает снижаться и на поверхности Луны достигает уже всего 10-10 Па днём (концентрация 105 частиц на см3) и 10-11 Па ночью (104 частиц на 1 см3). Примерно такую же концентрацию имеет межпланетная среда, однако давление в ней может значительно увеличиваться при корональных выбросах массы Солнца. В межзвёздной же среде давление оказывается ещё ниже, достигая давления в 10-15 Па при концентрации вещества всего 0,1 частицы на см3 (для сравнения: максимально достигнутое разрежение в лабораторных условиях на данный момент составляет 10-12 Па и 100 частиц на см3 соответственно). За пределами Млечного пути концентрация вещества в межгалактическом пространстве может достигать всего тысячу атомов на 1 м3 (давление около 10-17 Па).
Применение
Головной обтекатель Ариан-5 (5,4 м в диаметре) на тестах в вакуумной камере NASA
Вакуум нашёл довольно широкое применение на практике: при извлечении газов в процессе плавки металлов и при сушке синтетических волокон, при напылении тонких плёнок на различные подложки, при производстве электронно-лучевых трубок, а также для длительной консервации продуктов питания и даже для перспективных видом транспорта.
Кроме этого он используется при тестах космических аппаратов и в научных целях на ускорителях частиц: так крупнейшими и самыми известными вакуумными установками на Земле является Большой адронный коллайдер построенный в 2007 году (имеющий 50 км труб с общим объёмом около 15 тыс. м3 при рабочем давлении от 10-8 до 10-9 Па) и термо-вакуумная тестовая камера NASA существующая уже с 1969 года (имеющая 37 м в высоту и 30 м в диаметре).
Вакуум в квантовой теории поля
При исследованиях квантовой теории поля оказалось, что согласно принципу неопределённости Гейзенберга, если даже освободить определённое пространство от абсолютно всего вещества в нём должны происходить квантовые флуктуации вакуума (заключающиеся в постоянном возникновении и аннигиляции виртуальных частиц) которые в свою очередь должны приводить к незначительному, но отличимому от нуля давлению. Самыми известными проявлениями этого являются различные формы эффекта Казимира и лэмбовский сдвиг, заключающийся в небольшом различии между энергетическими уровнями атомов водорода в двух его стабильных состояниях.