Что такое вакуум

Что такое вакуум и с чем его едят?

По определению вакуум — это пространство свободное от вещества. В технике и прикладной физике под вакуумом понимают среду, содержащую газ при давлении значительно ниже атмосферного.

Рассмотрим для наглядности на примере, что такое вакуум и как его измеряют.

На нашей планете существует атмосферное давление, принятое за единицу (одна атмосфера). Оно меняется в зависимости от погода, от высоты над уровнем моря и так далее, но это мы не будем принимать во внимание, так как оно ни как не будет влиять на понятие вакуум в нашем случае. Итак, мы имеем давление на поверхности земли равное 1 атмосфере, все, что ниже 1 атмосферы и будет техническим вакуумом.

Возьмем какой нибудь сосуд и закроем его герметичной крышкой. Давление в сосуде будет равно 1 атмосфере. Если мы начнем откачивать из сосуда воздух, то в нем возникнет разряжение, которое и будет называться вакуумом.

На картинке условно изображено 3 сосуда, в левом сосуде 10 кружочков, пусть это будет равно 1 атмосфере. Откачаем половину получим 0,5 атмосфер, откачаем еще — получим 0,1 атмосферу (это 3 сосуд, один кружочек).

Так как в сосуде всего одна атмосфера, то теоритически максимальный вакуум мы можем получить ноль атмосфер. Почему теоритически? Потому, что абсолютно все молекулы из сосуда выловить невозможно.

Поэтому в любом сосуде, в котором откачали воздух (газ) всегда остается какое то минимальное его количество. И это количество называется остаточным давлением, т.е. давление которое осталось в сосуде после откачки из него газов.

Существуют специальные насосы, которые могут достичь глубокого вакуума до 0,00001 Па, но все равно не до нуля.

В обычной жизни редко требуется вакуум ниже 0,5 — 10 Па (0,0005 — 0,0001 атм.).

Есть несколько вариантов измерения вакуума, которые зависят от выбора точки отсчета.

За единицу принимается атмосферное давление, т.е. все, что ниже атмосферного давления технический вакуум. Шкала вакууметра от 1,0 атм. до 0 атм.

За ноль принимается атмосферное давление. Т.е. вакуум все отрицательные число от 0 и до -1. Шкала вакууметра от 0 и до -1.

Так шкалы могут быть в других единицах измерения, к примеру кПа, mBar и так далее, но все это аналогично шкалам в атмосферах. Но мы рекомендуем приобретать вакууметры все атки со шкалой кПа (Па), так как это соответствует международнйо системе измерения СИ.

На картинке показаны вакууметры с различными шкалами, но с одинаковым вакуумом.

Из всего сказанного выше видно, что величина вакуума не может быть больше атмосферного давления.

К нам почти каждый день обращаются люди, которые хотят получить вакуум -2, -3 атм и т.д.

И они очень удивляются когда узнают, что это невозможно (кстати, каждый второй из них говорит, что «вы сами ничего не знаете», «а у соседа так» и т.д. и.т.п.)

На самом деле, все эти люди хотят формовать детали под вакуумом, но чтобы прижим детали был более 1 кг/см2 (1 атмосферы).

Этого можно достичь, если накрыть изделие плёнкой, откачать из под неё воздух (в этом случае, в зависимости от созданного вакуума, максимальный прижим составит 1 кг/см2 (1 атм=1 кг/см2)), и после этого поместить это всё в автоклав, в котором будет создано избыточное давление. То есть для создания прижима в 2 кг/см2, достаточно создать в автоклаве избыточное давление в 1 атм.

Теперь несколько слов о том, как многие клиенты измеряют вакуум:

включают насос, прикладывают палец (ладонь) к всасывающему отверстию вакуумного насоса и сразу делают вывод о величине вакуума.

Обычно, все очень любят сравнивать советский вакуумный насос 2НВР-5ДМ и предлагаемый нами его аналог VE-2100.

После такой проверки, всегда говорят одно и тоже – вакуум у 2НВР-5ДМ выше (хотя на самом деле оба насоса выдают одинаковые параметры по вакууму).

В чем же причина такой реакции? А как всегда – в отсутствии знаний законов физики и что такое давление вообще.

Немного ликбеза: давление «P» – это сила, которая действует на некоторую площадь поверхности, направленная перпендикулярно этой поверхности (отношение силы «F» к площади поверхности «S»), то есть P=F/S.

По-простому – это сила, распределённая по площади поверхности.

Из этой формулы видно, что чем больше площадь поверхности, тем меньше будет давление. А также сила, которая потребуется для отрыва руки или пальца от входного отверстия насоса, прямо пропорциональна величине площади поверхности (F=P*S).

Диаметр всасывающего отверстия у вакуумного насоса 2НВР-5ДМ – 25 мм (площадь поверхности 78,5 мм2).

Диаметр всасывающего отверстия у вакуумного насоса VE-2100 – 6 мм (площадь поверхности 18,8 мм2).

То есть для отрыва руки от отверстия диаметром 25 мм, требуется сила в 4,2 раза большая, чем для диаметра отверстия 6 мм (при одинаковом давлении).

Именно по этому, когда вакуум измеряют пальцами, получается такой парадокс.

Давление «P», в этом случае, рассчитывается как разница между атмосферным давлением и остаточным давлением в сосуде (то есть вакуумом в насосе).

Как посчитать силу прижима какой-либо детали к поверхности?

Очень просто. Можно воспользоваться формулой приведенной выше, но попробуем объяснить попроще.

Например, пусть требуется узнать, с какой силой может быть прижата деталь размером 10х10 см при создании под ней вакуума насосом ВВН 1-0,75.

Берём остаточное давление, которое создаёт этот вакуумный насос серии ВВН.

Конкретно у этого водокольцевого насоса ВВН 1-0,75 оно составляет 0,4 атм.

1 атмосфера равна 1 кг/см2.

Площадь поверхности детали – 100 см2 (10см х10 см).

То есть, если создать максимальный вакуум (то есть давление на деталь будет 1 атм), то деталь прижмётся с силой 100 кг.

Так как у нас вакуум 0,4 атм, то прижим составит 0,4х100=40 кг.

Но это в теории, при идеальных условиях, если не будет подсоса воздуха и т.п.

Реально нужно это учитывать и прижим будет на 20…40% меньше в зависимости от типа поверхности, скорости откачки, и т.п.

Теперь пару слов о механических вакуумметрах.

Эти устройства показывают остаточное давление в пределах 0,05…1 атм.

То есть он не покажет более глубокого вакуума (будет всегда показывать «0»). Например, в любом пластинчато-роторном вакуумном насосе, по достижении его максимального вакуума, механический вакуумметр всегда будет показывать «0». Если требуется визуальное отображение значений остаточного давления, то нужно ставить электронный вакуумметр.

Часто к нам приходят клиенты, которые формуют детали под вакуумом (например, детали из композиционных материалов: углепластика, стеклопластика и т.п.), это нужно для того, чтобы во время формовки из связующего вещества (смолы) выходил газ и тем самым улучшались свойства готового продукта, а так же деталь прижималась к форме плёнкой, из-под которой откачивают воздух.

Встаёт вопрос: каким вакуумным насосом пользоваться – одноступенчатым или двухступенчатым?

Обычно думают, что раз вакуум у двухступенчатого выше, то и детали получаться лучше.

Вакуум у двухступенчатого насоса 0,2 Па, а у одноступенчатого 2 Па. Кажется, что раз разница в давлении в 10 раз, то и прижиматься деталь будет гораздо сильнее.

Но так ли это на самом деле?

1 атм = 100000 Па = 1 кг/см2.

Значит разница в прижиме плёнки при вакууме 0,2 Па и 2 Па составит 0,00018 кг/см2 (кому не лень – посчитает сам).

То есть, практически, разницы никакой не будет, т.к. выигрыш в 0,18 г в силе прижима погоды не сделает.

Вакуум

Ва́куум (от лат.  vacuum  — пустота) — пространство, свободное от вещества. В технике и прикладной физике под вакуумом понимают среду, содержащую газ при давлениях, значительно ниже атмосферного. Вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного пробега молекул газа λ и характерным размером среды d . Под d может приниматься расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода и т. д. В зависимости от величины соотношения λ/d различают низкий (), средний () и высокий () вакуум.

Следует различать понятия физического вакуума и технического вакуума.

Содержание

Технический вакуум

На практике сильно разреженный газ называют техническим вакуумом. В макроскопических объёмах идеальный вакуум недостижим на практике, поскольку при конечной температуре все материалы обладают ненулевой плотностью насыщенных паров. Кроме того, многие материалы (в том числе толстые металлические, стеклянные и иные стенки сосудов) пропускают газы. В микроскопических объёмах, однако, достижение идеального вакуума в принципе возможно.

Мерой степени разрежения вакуума служит длина свободного пробега молекул газа , связанной с их взаимными столкновениями в газе, и характерного линейного размера сосуда, в котором находится газ.

Строго говоря, техническим вакуумом называют газ в сосуде или трубопроводе с давлением ниже, чем в окружающей атмосфере. Согласно другому определению, когда молекулы или атомы газа перестают сталкиваться друг с другом, и газодинамические свойства сменяются вязкостными (при давлении около 1 торр ) говорят о достижении низкого вакуума () ( 10 16 молекул на 1 см³ ). Обычно между атмосферным воздухом и высоковакуумным насосом стоит так называемый форвакуумный насос, создавая предварительное разрежение, поэтому низкий вакуум часто называют форвакуум. При дальнейшем понижении давления в камере увеличивается средняя длина свободного пробега λ молекул газа. При молекулы газа гораздо чаще сталкиваются со стенками, чем друг с другом. В этом случае говорят о высоком вакууме ( 10 −5 торр ) ( 10 11 молекул на 1 см³ ). Сверхвысокий вакуум соответствует давлению 10 −9 торр и ниже. В сверхвысоком вакууме, например, обычно проводятся эксперименты с использованием сканирующего туннельного микроскопа. Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже, в дальнем же космосе и вовсе может достигать 10 −16 торр и ниже ( 1 молекула на 1 см³ ).

Высокий вакуум в микроскопических порах некоторых кристаллов достигается уже при атмосферном давлении, поскольку диаметр поры гораздо меньше длины свободного пробега молекулы.

Аппараты, используемые для достижения и поддержания вакуума, называются вакуумными насосами. Для поглощения газов и создания необходимой степени вакуума используются геттеры. Более широкий термин вакуумная техника включает также приборы для измерения и контроля вакуума, манипулирования предметами и проведения технологических операций в вакуумной камере и т. д. Высоковакуумные насосы являются сложными техническими приборами. Основные типы высоковакуумных насосов — это диффузионные насосы, основанные на увлечении молекул остаточных газов потоком рабочего газа, геттерные, ионизационные насосы, основанные на внедрении молекул газа в геттеры (например титан) и криосорбционные насосы (в основном для создания форвакуума).

Стоит отметить, что даже в идеальном вакууме при конечной температуре всегда имеется некоторое тепловое излучение (газ фотонов). Таким образом, тело, помещённое в идеальный вакуум, рано или поздно придёт в тепловое равновесие со стенками вакуумной камеры за счёт обмена тепловыми фотонами.

Вакуум является хорошим термоизолятором; перенос тепловой энергии в нём происходит лишь за счёт теплового излучения, конвекция и теплопроводность исключены. Это свойство используется для теплоизоляции в термосах (сосудах Дьюара), состоящих из ёмкости с двойными стенками, пространство между которыми вакуумированно.

Вакуум широко применяется в электровакуумных приборах — радиолампах (например, магнетронах микроволновых печей), электронно-лучевых трубках и т. п.

Физический вакуум

Под физическим вакуумом в квантовой физике понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. При этом такое состояние вовсе не обязательно соответствует пустоте: поле в низшем состоянии может быть, например, полем квазичастиц в твёрдом теле или даже в ядре атома, где плотность чрезвычайно высока. Физическим вакуумом называют также полностью лишённое вещества пространство, заполненное полем в таком состоянии. Такое состояние не является абсолютной пустотой. Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. В некоторых конкретных теориях поля вакуум может обладать нетривиальными топологическими свойствами. В теории могут существовать несколько различных вакуумов, различающихся плотностью энергии или другими физическими параметрами (в зависимости от применяемых гипотез и теорий). Вырождение вакуума при спонтанном нарушении симметрии приводит к существованию непрерывного спектра вакуумных состояний, отличающихся друг от друга числом голдстоуновских бозонов. Локальные минимумы энергии при разных значениях какого-либо поля, отличающиеся по энергии от глобального минимума, носят название ложных вакуумов; такие состояния метастабильны и стремятся распасться с выделением энергии, перейдя в истинный вакуум или в один из нижележащих ложных вакуумов.

Некоторые из этих предсказаний теории поля уже были успешно подтверждены экспериментом. Так, эффект Казимира [1] и лэмбовский сдвиг атомных уровней объясняется нулевыми колебаниями электромагнитного поля в физическом вакууме. На некоторых других представлениях о вакууме базируются современные физические теории. Например, существование нескольких вакуумных состояний (упомянутых выше ложных вакуумов) является одной из главных основ инфляционной теории Большого взрыва.

Что такое вакуум и где мы его используем

В большинстве случаев вакуум — это емкость, из которой максимально удалены все газы, в том числе воздух. Космическое пространство, действительно, наиболее близко к идеальному вакууму: астрономы считают, что пространство между звездами в некоторых случаях состоит не более чем из одного атома или молекулы на кубический километр .

Ни один вакуум, производимый на Земле, даже близко не подходит к этому условию

Чтобы поговорить о «земном вакууме», необходимо вспомнить о давлении. Давление возникает в результате воздействия молекул в газе или жидкости на их окружение, обычно на стенки вмещающего сосуда, будь то бутылка газировки или ваша черепная коробка. Величина давления зависит от силы ударов, которые молекулы «наносят» по определенной территории, и измеряется в «ньютонах на квадратный метр» — эта единица измерения имеет специальное название «паскаль» .

Соотношение между давлением (p), силой (F) и площадью (A) определяется следующим уравнением: p = F / A — оно применимо независимо от того, низкое ли давление, как, например, в космосе, или же очень высокое, как в гидравлических системах .

В целом, несмотря на то что определение вакуума неточно, обычно под ним понимается давление ниже, а часто и значительно ниже атмосферного. Вакуум образуется при удалении воздуха из замкнутого пространства, в результате которого возникает перепад давления между этим пространством и окружающей его атмосферой. Если пространство ограничено подвижной поверхностью, атмосферное давление будет сжимать ее стенки вместе — величина удерживающей силы зависит от площади поверхности и уровня вакуума . По мере удаления все большего количества воздуха перепад давления увеличивается, и потенциальная сила вакуума также становится больше.

Поскольку удалить все молекулы воздуха из контейнера практически невозможно, невозможно добиться и идеального вакуума

В промышленных и домашних масштабах (например, если вы решили убрать в вакуумные пакеты зимний пуховик) эффект достигается за счет вакуумных насосов или генераторов разных размеров, которые и удаляют воздух. Насос, состоящий из поршня в цилиндре, прикреплен к закрытой емкости, и с каждым ходом насоса часть газа из баллона удаляется. Чем дольше работает насос, тем лучше создается разрежение в емкости.

Каждый, кто когда-либо откачивал воздух из пакета для хранения одежды, отжимал крышку пластикового контейнера, чтобы выпустить воздух из емкости, или ставил банки (а также ходил на вакуумный массаж), сталкивался в своей жизни с вакуумом. Но, конечно, самый распространенный пример его использования — это обычный бытовой пылесос . Вентилятор пылесоса постоянно удаляет воздух из канистры, создавая частичный вакуум, а атмосферное давление снаружи пылесоса выталкивает воздух в канистру, забирая с собой пыль и грязь, взбалтываемые щеткой в ​​передней части пылесоса.

Еще один пример — это термос . Термос состоит из двух бутылок, вложенных друг в друга, и пространство между ними представляет собой вакуум. В отсутствие воздуха тепло не проходит между двумя бутылками так легко, как это было бы в нормальном состоянии. В результате горячие жидкости внутри контейнера сохраняют тепло, а холодные жидкости остаются холодными, потому что тепло не может в них проникнуть.

Итак, уровень вакуума определяется перепадом давления между внутренним пространством и окружающей атмосферой . Двумя основными ориентирами во всех этих измерениях являются стандартное атмосферное давление и идеальный вакуум. Для измерения вакуума можно использовать несколько единиц, но общепринятая метрическая единица — миллибар , или мбар . В свою очередь, атмосферное давление измеряется барометром , который в простейшем варианте состоит из откачанной вертикальной трубки с закрытым верхним концом и нижним концом, находящимся в контейнере со ртутью, открытом для атмосферы.

Давление атмосферы действует на открытую поверхность жидкости, заставляя ртуть подниматься в трубку. «Нормальным» атмосферным давлением называется давление, равное весу ртутного столба высотой 760 мм, находящегося при температуре 0.0 °C, на широте 45° и на уровне моря .

Уровень вакуума можно измерить несколькими типами манометров:

Манометр с трубкой Бурдона является компактным и наиболее широко используемым устройством — измерение основано на деформации изогнутой эластичной трубки при приложении вакуума к отверстию манометра.

Электронным аналогом является вакуумный датчик . Вакуум или давление отклоняют эластичную металлическую диафрагму в датчике, и это отклонение изменяет электрические характеристики взаимосвязанной схемы — в итоге мы получаем электронный сигнал, который представляет уровень вакуума.

Манометр с трубкой показывает разницу между двумя давлениями. В простейшем виде этот манометр представляет собой прозрачную U-образную трубку, наполовину заполненную ртутью. Когда оба конца трубки находятся под атмосферным давлением, уровень ртути в каждом колене одинаков. Приложение вакуума к одной стороне заставляет ртуть в ней подниматься и опускаться с другой стороны — разница в высоте между двумя уровнями и показывает уровень вакуума.

На шкалах большинства манометров ❓ Приборы для измерения давления газа и жидкостей в замкнутом пространстве. атмосферному давлению присвоено нулевое значение, следовательно, измерения вакуума всегда должны быть меньше нуля .

Ничто в основе всего. Как полное понимание вакуума поможет раскрыть тайны Вселенной

Физические свойства пустоты исследовал еще до нашей эры Аристотель, а первый настоящий вакуум на Земле был создан в XVII веке. Однако за последние сто лет наше понимание пустоты претерпело качественные изменения: современная физика утверждает, что быть ничем можно десятками разных способов. Чарли Вуд — о природе вакуума и его значении для нашей Вселенной.

Тысячелетия назад Аристотель утверждал, что природа не терпит пустоты, вакуума. По его мысли, из этого следовало, что через по-настоящему пустое пространство предметы летали бы с запредельной скоростью. В 1277 году французский епископ Этьен Темпье раскритиковал это утверждение, заявив, что Бог может сотворить всё, что угодно, даже вакуум.

Однако позже это удалось и простому ученому. Отто фон Герике изобрел насос для отсасывания воздуха из полой медной сферы и создал, вероятно, первый высококачественный вакуум на Земле. В 1654 году он продемонстрировал, что даже две упряжки лошадей не могут разорвать пустой шар размером с арбуз, то есть не могут справиться с всасывающей силой пустоты.

С тех пор вакуум стал основополагающим понятием в физике, основой любой теории чего-либо. Вакуум фон Герике был отсутствием воздуха. Электромагнитный вакуум — это отсутствие среды, которая могла бы замедлять свет. А в гравитационном вакууме отсутствует какая-либо материя или энергия, способная искривлять пространство. В каждом случае конкретная разновидность ничто зависит от того, какого рода нечто физики намереваются описать. «Иногда это определяет всю теорию», — говорит Патрик Дрейпер, физик-теоретик из Университета Иллинойса.

Пока современные физики выстраивали основу, на которой можно было бы строить окончательную теорию природы, они сталкивались с растущим множеством типов ничто. И каждое ничто ведет себя по-своему, как будто это разные фазы вещества.

Всё чаще кажется, что мы поймем происхождение и дальнейшую судьбу Вселенной, только если тщательно изучим эти множащиеся разновидности пустоты.

«Выяснилось, что о ничто можно узнать гораздо больше, чем мы думали, — говорит Изабель Гарсия Гарсия, физик элементарных частиц из Института теоретической физики Кавли в Калифорнии. — А сколького мы еще не знаем?»

До сих пор подобные исследования приводили к драматическому выводу: наша Вселенная может покоиться на весьма сомнительном основании, «метастабильном» вакууме. И сама эта основа обрекает всё существующее на гибель, то есть на превращение в другой вид ничто.

Квантовое ничто

Ничто стало казаться чем-то лишь в XX веке, когда физики начали рассматривать реальность как совокупность полей. В классической физике значение поля может быть везде равно нулю, так что оно не оказывает никакого влияния и не содержит энергии.

«Классический вакуум скучен, — говорит Дэниел Харлоу, физик-теоретик из Массачусетского технологического института. — В нем ничего не происходит».

Но позже физики установили, что поля Вселенной являются квантовыми, а не классическими — это означает, что они по своей сути неопределенны. Вы не найдете квантовое поле с нулевой энергией. Харлоу сравнивает квантовое поле с набором маятников — по одному в каждой точке пространства, — и качания этих маятников определяют значения поля.

Когда на квантовое поле ничто не влияет, оно останется в своем обычном положении с минимальной энергией, известной как «истинный вакуум» или «основное состояние». (Элементарные частицы — это своего рода рябь в подобных полях.)

«Когда мы говорим о вакууме системы, мы имеем в виду предпочтительное состояние системы», — говорит Гарсия Гарсия.

Большинство квантовых полей, заполняющих нашу Вселенную, имеют одно и только одно предпочтительное состояние, в котором они будут оставаться вечно. Большинство, но не все.

Истинный и ложный вакуум

В 1970-х годах физики пришли к пониманию важности другого класса квантовых полей, значение которых, как правило, не равняется нулю. Такое «скалярное поле» похоже на набор маятников, колеблющихся, скажем, под углом 10°. Эта конфигурация может быть основным состоянием поля: маятники предпочитают этот угол и стабильны.

В 2012 году с помощью экспериментов на Большом адронном коллайдере было доказано, что скалярное поле, известное как поле Хиггса, пронизывает Вселенную. Сначала, в горячей ранней Вселенной, маятники этого поля были направлены вниз. Но по мере того, как космос остывал, поле Хиггса меняло состояние, и все его маятники синхронно меняли угол наклона. (Именно ненулевое значение поля Хиггса придает многим элементарным частицам свойство, известное как масса.)

При наличии скалярных полей стабильность вакуума не обязательно является абсолютной. Маятники поля могут иметь несколько полустабильных углов и переключаться с одной конфигурации на другую. Теоретики не уверены, например, нашло ли поле Хиггса свою абсолютную приоритетную конфигурацию — истинный вакуум.

Некоторые ученые утверждают, что текущее состояние поля, несмотря на то, что оно сохранялось в течение 13,8 млрд лет, является лишь временно стабильным, или «метастабильным».

Если это так, то когда-нибудь всё закончится. В 1980-х годах физики Сидни Коулман и Фрэнк Де Луччиа описали, как ложный вакуум скалярного поля может «распадаться». Если достаточное количество маятников в каком-то месте сдвинется под более выгодным углом, они потянут своих соседей навстречу себе, и пузырь истинного вакуума поглотит всё существующее почти со скоростью света. Этот процесс будет переписывать физику по ходу дела, разрушая атомы и молекулы на своем пути. (Не надо паники. Даже если наш вакуум лишь метастабилен, учитывая, что он до сих пор держался в таком состоянии, вероятно, он продержится в нем и еще миллиарды лет.)

Потенциально возможное изменение поля Хиггса — это первый из практически бесконечного числа способов, которыми ничто может убить нас всех.

Больше пустот — больше проблем

По мере того, как физики пытались увидеть подтвержденные законы природы в более широкой перспективе, они создавали теории природы, вводя в них дополнительные поля и измерения.

Когда поля накапливаются, они взаимодействуют — маятники влияют друг друга и создают новые конфигурации между собой. Физики визуализируют эти пустоты как долины в подвижном «энергетическом ландшафте». Разные углы наклона маятника соответствуют разным количествам энергии или высотам в энергетическом ландшафте, и поле стремится снизить свою энергию точно так же, как камень стремится скатиться с холма — хотя камень стремится к самой низкой точке, он на какое-то время может остановиться на каком-нибудь выступе.

Пару десятков лет назад масштаб этого ландшафта сильно изменился. Физики Джозеф Полчински и Рафаэль Буссо изучали некоторые аспекты теории струн, ведущей математической теории для описания квантовой стороны гравитации. Теория струн работает только в том случае, если Вселенная имеет около десяти основных измерений и какое-то количество дополнительных, которые «свернуты» в формы, слишком крошечные, чтобы их можно было обнаружить.

Полчински и Буссо в 2000 году подсчитали, что дополнительные измерения могут «сворачиваться» огромным количеством способов, и каждый такой способ предполагает отдельный вакуум со своими собственными физическими законами.

Открытие, что теория струн допускает существование почти бесчисленного количества вакуумов, совпало с другим открытием, сделанным почти двумя десятилетиями ранее.

Космологи в начале 1980-х годов разработали гипотезу, известную как космическая инфляция, которая впоследствии стала ведущей теорией зарождения Вселенной. Она утверждает, что Вселенная началась с быстрого всплеска, экспоненциального расширения, что хорошо объясняет ее гомогенность и огромные размеры. Но всё имеет свою цену.

Исследователи обнаружили, что как только космическая инфляция начинается, ее невозможно остановить. Вакуум яростно и непрестанно берет свое. В конечном итоге только некоторые конечные области пространства перестают расширяться, превратившись в пузыри относительной стабильности, отделенные друг от друга расширяющимся пространством между ними. Инфляционные космологи полагают, что мы называем один из этих пузырей домом.

Мультивселенная пустот

У некоторых людей идея того, что мы живем в мультивселенной — бесконечном ландшафте вакуумных пузырей — вызывает беспокойство. Это заставляет видеть природу любого конкретного вакуума (такого как наш) случайной и непредсказуемой, что весьма ограничивает нашу способность познавать мир. Умерший в 2018 году Джо Полчинский рассказал физику и писательнице Сабине Хоссенфельдер, что открытие вакуумного ландшафта теории струн поначалу сделало его настолько несчастным, что он вынужден был обратиться к психологу. Если теория струн предполагает все мыслимые разновидности ничто, предполагает ли она вообще какое-нибудь нечто?

Для других изобилие пустот не является проблемой.

«На самом деле это очень хорошо», — говорит Андрей Линде, известный космолог из Стэнфордского университета и один из разработчиков космической инфляции.

Дело в том, что мультивселенная потенциально объясняет великую тайну — сверхнизкую энергию нашего конкретного вакуума.

Когда теоретики оценивают совместное взаимодействие всех квантовых полей Вселенной, они обнаруживают, что их энергия огромна — ее вполне достаточно, чтобы ускорить расширение пространства и мгновенно разорвать космос на части. Но наблюдаемое ускорение пространства чрезвычайно слабо по сравнению с таким сценарием — значит, большая часть совместного взаимодействия полей сводится на нет, а энергетические показатели у нашего вакуума чрезвычайно низкие.

В единичной Вселенной настолько низкая энергия одного конкретного вакуума выглядит неразрешимой загадкой. Но в мультивселенной это возможно просто в силу удачи. Если разные пузыри пространства обладают разной энергией и расширяются с разной скоростью, галактики и планеты будут формироваться только в самых вялых пузырях. Таким образом, наш спокойный вакуум не более загадочен, чем орбита нашей планеты: мы оказались здесь просто потому, что большинство других мест не предназначено для жизни.

Нравится вам это или нет, но гипотеза мультивселенной не так уж совершенна. Несмотря на кажущийся бесконечным перечень пустот, который предполагает теория струн, до сих пор никто не нашел конкретного «сворачивания» крошечных дополнительных измерений, которое соответствовало бы вакууму, подобному нашему, с его малой положительной энергией. В рамках теории струн гораздо легче возникает вакуум с отрицательной энергией.

Быть может, теория струн неверна или не до конца разработана. Или физики просто не нашли правильного способа обращения с положительной энергией вакуума в рамках теории струн.

«Вообще, это вполне возможно, — говорит Натан Зайберг, физик из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси. — Понять это очень важно».

Или же наши представления о пустоте могут быть просто изначально схематичными.

«Преобладающее мнение состоит в том, что [положительно заряженное] пространство нестабильно, — говорит Зайберг. — Оно в любой момент может распасться и превратиться во что-то другое, и это может быть одной из причин, почему так трудно понять его физику».

Конец пустоты

Физик Эдвард Виттен впервые обнаружил «пузырь из ничего» в 1982 году. Изучая вакуум с одним дополнительным измерением, свернутым в крошечный круг в каждой точке, он обнаружил, что квантовые колебания неизбежно приводят к колебаниям дополнительного измерения, иногда сужая круг до точки. А когда измерение исчезло в пустоте, оно забрало с собой всё остальное.

Подобная нестабильность в нашей Вселенной породила бы быстро расширяющийся пузырь без внутренней части, и его зеркальная поверхность отмечала бы конец самого пространства-времени.

Эта нестабильность крошечных измерений долгое время преследовала теорию струн, и были придуманы различные объяснения, чтобы придать им жесткость. В декабре прошлого года Гарсия Гарсия вместе с Дрейпером и Бенджамином Лиллардами из Иллинойса рассчитали время существования вакуума с одним дополнительным свернутым измерением. Они рассмотрели различные стабилизирующие «примочки», но обнаружили, что большинство механизмов не смогли остановить пузыри. Их выводы совпадали с выводами Виттена: когда размер дополнительного измерения опускался ниже определенного порога, вакуум тут же разрушался. Аналогичный расчет, распространенный на более сложные модели, мог бы исключить вакуум в теории струн со значением ниже определенной величины.

Однако при достаточно большом значении свернутого измерения вакуум может сохраняться в течение многих миллиардов лет. Это означает, что теории, создающие пузыри из ничего, могут правдоподобно соответствовать положению нашей Вселенной. Если это так, то Аристотель был прав больше, чем сам предполагал. Природа, возможно, действительно не очень любит пустоту.