Когда мы говорим «космос», большинство представляет бесконечную черную пустоту. Ни воздуха, ни звуков, ни жизни, просто пустота. Но так ли она пуста на самом деле?
Ответ удивителен: нет. Космический вакуум — одна из самых населенных «пустот» во Вселенной. Просто населена она не тем, к чему мы привыкли.
1. Что такое вакуум с точки зрения физики
В бытовом понимании вакуум — это пространство, в котором нет воздуха. Но в физике все сложнее.
Абсолютный вакуум — полное отсутствие любого вещества, частиц, полей, даже энергии — недостижим. Даже в самой удаленной точке межгалактического пространства что-то есть.
Различают несколько видов вакуума:
- Технический вакуум — то, что создают насосами в лабораториях и на заводах. Даже лучшие насосы оставляют миллионы молекул в кубическом сантиметре.
- Космический вакуум — разреженность вещества в межзвездном пространстве. В одном кубическом сантиметре — от 0,1 до 1000 атомов (в основном водорода).
- Межгалактический вакуум — еще разреженнее. В кубическом метре — всего несколько атомов.
- Физический вакуум — низшее энергетическое состояние квантового поля. Это уже не про вещество, а про само пространство.
А знаете ли вы? Даже в межгалактическом пространстве, самом пустом месте во Вселенной, на каждый кубический метр приходится в среднем один атом водорода. Это не абсолютная пустота. И это всего в 100 раз разреженнее, чем в лучших лабораторных вакуумных камерах на Земле.
2. Цифры и сравнения
Давайте сравним плотность в разных местах.
На уровне моря в одном кубическом сантиметре воздуха содержится около 10 000 000 000 000 000 000 молекул.
В самой лучшей вакуумной камере на Земле — около миллиона молекул. Это в 10 триллионов раз меньше, чем в атмосфере.
В межзвездном пространстве — от 0,1 до 1000 атомов в кубическом сантиметре. Это в тысячи раз меньше, чем в лабораторном вакууме.
В межгалактическом пространстве — около 1 атома на кубический метр. Это в сто миллионов раз меньше, чем в межзвездном.
Но даже такая разреженность — не равна нулю.
3. Физический вакуум
Самый удивительный вид вакуума — физический. Это состояние, в котором нет реальных частиц, но есть виртуальные.
Согласно квантовой механике, вакуум — это не спокойная пустота, а бурлящий океан. В нем постоянно рождаются и тут же исчезают пары «частица-античастица». Они появляются из ниоткуда, существуют ничтожные доли секунды и аннигилируют, возвращая энергию обратно в вакуум.
Это не теоретическая абстракция. Этот эффект экспериментально подтвержден. Например, существует эффект Казимира: если сблизить две металлические пластины в вакууме на расстояние в несколько нанометров, они начинают притягиваться. Причина — виртуальные частицы снаружи пластин создают давление, а между пластинами их меньше (не все длины волн помещаются в узкую щель). Разница давлений прижимает пластины друг к другу.
4. Давление в космосе
В голливудских фильмах часто показывают, как человек в открытом космосе без скафандра раздувается и взрывается. Конечно же это миф.
Наше тело не герметично. Кожа, сосуды, органы — все это проницаемо для газов. В вакууме давление снаружи падает до нуля, а внутри тела давление остается примерно атмосферным. Газы в легких, кишечнике и растворенные в крови стремятся расшириться.
Что произойдет на самом деле:
- Воздух в легких вырвется наружу с силой. Если не выдохнуть — возможен разрыв легочной ткани. Поэтому астронавты на случай разгерметизации тренируются сразу выдыхать.
- Растворенные в крови газы (в основном азот) начнут образовывать пузырьки — декомпрессионная болезнь. Примерно как у дайверов, слишком быстро поднявшихся с глубины.
- Вода на поверхности языка и глазах начнет испаряться. Быстро, но не мгновенно.
- Тело раздуется — но не взорвется. Кожа прочная, она выдержит. Раздутие составит примерно 30-50%.
- Через 10-15 секунд человек потеряет сознание из-за недостатка кислорода в мозге.
Но он не замерзнет мгновенно. В вакууме нет конвекции, тепло уходит только через излучение, а это медленный процесс.
5. Как вакуум используют на Земле
Люди научились создавать вакуум искусственно и используют его повсюду.
- Лампы накаливания — из колбы откачивают воздух, чтобы вольфрамовая нить не сгорала.
- Электронные микроскопы — электронный пучок требует вакуума, иначе электроны будут сталкиваться с молекулами воздуха.
- Пищевая упаковка — вакуумная упаковка замедляет порчу продуктов.
- Сборка микросхем — в вакууме меньше пыли и нет окисления.
- Космические симуляторы — большие вакуумные камеры для испытания спутников перед запуском.
Самый большой вакуумный комплекс в мире находится в NASA (Центр Гленна, Огайо). Там можно создать условия, близкие к космическим, и испытывать двигатели и аппараты на Земле.
6. Вакуум в истории науки
У древних греков была теория «horror vacui» — «боязнь пустоты». Считалось, что природа не терпит пустоты, и вакуум невозможен. Если вода перестает подниматься за поршнем насоса, то не из-за того, что насос несовершенен, а потому что пустота не может существовать.
Эванджелиста Торричелли в 1643 году опроверг эту теорию. Он создал первый ртутный барометр — трубку, запаянную сверху и открытую снизу в чашке с ртутью. Ртуть поднялась, но не заполнила трубку целиком. Над ней осталась пустота — торричеллиева пустота. Так появился первый искусственный вакуум в истории.
Блез Паскаль продолжил эксперименты. Он показал, что высота столба ртути зависит от атмосферного давления: в горах ртуть опускается. Это доказало, что над ртутью в трубке действительно пустота, а не «тонкая материя».
С тех пор наша зависимость от вакуума только росла. Сегодня без него не работает ни электроника, ни медицинское оборудование, ни космические технологии.
7. Средства передвижения в вакууме
Вакуум — идеальная среда для быстрого движения. Нет сопротивления воздуха, нет трения.
Поезд в вакуумном туннеле теоретически может разогнаться до нескольких тысяч километров в час — на него не действует сопротивление воздуха.
Космические аппараты используют вакуум для разгона. Стартуя с Земли, они пробивают плотные слои атмосферы, где сопротивление велико. А в космосе, в вакууме, достаточно одного импульса двигателя — и аппарат будет лететь без торможения миллионы лет.
Именно поэтому «Вояджеры» до сих пор летят. В вакууме их тормозит только слабая гравитация далеких тел.
А вот солнечный парус — концепция, при которой аппарат разгоняется давлением фотонов на огромное зеркальное полотно — возможен только в вакууме. В атмосфере давление света слишком слабо по сравнению с сопротивлением воздуха.
8. Неожиданные эффекты вакуума
Холодная сварка в вакууме. На Земле две металлические детали, прижатые друг к другу, не слипаются, потому что между ними есть окисные пленки и молекулы воздуха. В вакууме окисные пленки не образуются (нет кислорода), и если поверхности достаточно чисты и гладки, они могут «схватиться» — атомы одного металла соединятся с атомами другого. Это проблема для космических аппаратов: подвижные детали могут привариться друг к другу.
Кипение при комнатной температуре. В вакууме вода закипает при любой положительной температуре. В космосе открытые жидкости кипят, а затем замерзают. Охлаждение происходит так быстро, что образуются микроскопические кристаллы льда.
Сублимация. В вакууме многие твердые вещества переходят сразу в газ, минуя жидкую фазу. Именно так работают некоторые космические двигатели (холодные газовые). И именно так теряют массу кометы — лед сублимируется под действием солнечного света, образуя хвост.
9. Вакуум и жизнь
Удивительно, но некоторые земные организмы способны пережить вакуум. Их называют экстремофилами.
Тихоходки (водяные медведи) — микроскопические существа, которые впадают в анабиоз при неблагоприятных условиях и выживают в открытом космосе. Их отправляли на орбиту — они вернулись живыми.
Бактерии тоже могут выживать в вакууме, если они защищены от ультрафиолета. Споры некоторых бактерий сохраняют жизнеспособность годами.
Это важно для космических исследований — и для защиты планет от земного заражения, и для теории панспермии (жизнь могла путешествовать между планетами внутри метеоритов).
10. Вакуум как философская категория
Пустота всегда пугала и привлекала людей. Древние философы спорили, может ли существовать «ничто». Средневековые богословы отождествляли пустоту с небытием, которого нет. Просвещение сделало вакуум научным фактом, но не перестало удивлять.
Сегодня мы знаем: пустота — это не отсутствие всего. Это отсутствие вещества. Но не отсутствие полей, не отсутствие энергии, не отсутствие законов физики.
Вакуум — самая распространенная «среда» во Вселенной. Между звездами, между галактиками, внутри атомов — везде вакуум. Его гораздо больше, чем вещества.
И при этом он не пуст. Он кипит виртуальными частицами. Он искривляется под действием гравитации. Он расширяется, разгоняемый темной энергией. Он хранит в себе энергию, природу которой мы не понимаем.
Когда вы в следующий раз посмотрите на черное ночное небо, помните: вы смотрите не в пустоту. Вы смотрите в океан. Океан физического вакуума, чьи свойства мы только начинаем понимать. И этот океан — самая загадочная среда во Вселенной.
Подпишись, если понравилась статья!