Τι είναι το τέλειο κενό; Είναι δυνατόν?

Στην επιστήμη, ένα τέλειο κενό είναι ένα ιδανικό κενό που δεν περιέχει σωματίδια και έχει πίεση μηδέν (σε οποιεσδήποτε μονάδες πίεσης). Το τέλειο κενό είναι μια θεωρητική έννοια που δεν μπορεί να επιτευχθεί στον πραγματικό κόσμο. Ωστόσο, είναι δυνατό να πλησιάσετε, τόσο στη φύση όσο και στο εργαστήριο.

Πώς λειτουργεί ένα κενό αέρος

Για να κατανοήσετε γιατί δεν είναι δυνατή η τέλεια αναρρόφηση, είναι χρήσιμο να κατανοήσετε πώς λειτουργεί το κενό. Εξ ορισμού, το κενό είναι ένας όγκος που περιέχει λίγη ή καθόλου ύλη. Οποιαδήποτε περιοχή με λιγότερα σωματίδια από τον αέρα σε ατμοσφαιρική πίεση είναι κενό. Γνωστά παραδείγματα (ατελών) κενού περιλαμβάνουν την αναρρόφηση της ηλεκτρικής σκούπας, το εσωτερικό ενός λαμπτήρα πυρακτώσεως και την ατμόσφαιρα της Σελήνης.

Ένας τρόπος σχηματισμού κενού είναι η χρήση αναρρόφησης. Η αναρρόφηση τραβά τα σωματίδια από μια περιοχή. Για παράδειγμα, ο κινητήρας σε μια ηλεκτρική σκούπα τροφοδοτεί έναν ανεμιστήρα που αναρροφά αέρα και μικρά αντικείμενα. Εάν συνδέσετε μια ηλεκτρική σκούπα σε ένα άκαμπτο δοχείο, όπως ένα πλαστικό μπουκάλι, αδειάζετε λίγο από τον αέρα της. Όμως, δεν δημιουργείτε ένα τέλειο (ή ακόμα και ιδιαίτερα καλό) κενό.

Ο άλλος τρόπος σχηματισμού κενού είναι η επέκταση του όγκου μιας σταθερής ποσότητας ύλης. Για παράδειγμα, εάν κλείσετε το άκρο μιας «άδειας» σύριγγας και τραβήξετε προς τα πίσω το έμβολο, αυξάνετε την ένταση για τη σταθερή ποσότητα αέρα. Η απεριόριστη διεύρυνση της έντασης παράγει ένα τέλειο κενό.

Γιατί είναι αδύνατη η τέλεια υποπίεση

Ο σχηματισμός τέλειου κενού είναι αδύνατος επειδή καμία συσκευή δεν αφαιρεί κάθε άτομο ή μόρια από ένα χώρο, δεν μπορούμε να επεκτείνουμε έναν όγκο άπειρα και δεν μπορούμε να εμποδίσουμε όλα τα εξωτερικά σωματίδια να εισέλθουν μέσα σε ένα δοχείο.

Οι ερευνητές επιτυγχάνουν σχεδόν τέλεια κενά χρησιμοποιώντας πολλαπλές αντλίες κενού. Όμως, υπάρχουν και άλλες σκέψεις. Καθώς η πίεση πέφτει, τα τοιχώματα του εμπορευματοκιβωτίου παρουσιάζουν εξάτμιση αερίου. Εξαγωγή αερίων είναι όταν το νερό, ο αέρας ή άλλα μόρια παγιδευμένα στην επιφάνεια εξατμίζονται ή εξαχνώνονται. Η χρήση ξηραντικού ή το ψήσιμο του δοχείου βοηθά. Επίσης, η επένδυση των τοιχωμάτων ενός δοχείου με μια ειδική επίστρωση που προσελκύει και παγιδεύει τα αδέσποτα μόρια (ένας «αποδέκτης») βελτιώνει το κενό.

Ακόμα κι αν οι επιστήμονες αφαιρούν με κάποιο τρόπο κάθε άτομο από έναν θάλαμο, είναι αδύνατο να προστατεύσουν το εσωτερικό από την εξωτερική ακτινοβολία. Μιόνια από κοσμικές ακτίνες, νετρίνα από τη Μεγάλη Έκρηξη και τον Ήλιο, και φωτόνια από την κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου περνούν μέσα από δοχεία στον κατά τα άλλα κενό χώρο. Είναι δυνατό να προστατεύσετε ένα δοχείο από μιόνια και φωτόνια, αλλά τα νετρίνα εξακολουθούν να εισέρχονται σε οποιοδήποτε ανθρωπογενές κενό.

Ακόμη και η τέλεια θωράκιση δεν οδηγεί σε τέλειο κενό. Αυτό συμβαίνει επειδή, σύμφωνα με την κβαντομηχανική και την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg, εξακολουθεί να υπάρχει μια σύνδεση μεταξύ του φαινομενικού κενού μέσα σε ένα δοχείο και της ύλης έξω από το δοχείο. Με άλλα λόγια, υπάρχει πάντα μια διακύμανση κενού σε οποιαδήποτε περιοχή του χώρου.

Πόσο κοντά σε ένα τέλειο κενό μπορείτε να φτάσετε;

Στη φύση, το πιο κοντινό που μπορείτε να φτάσετε σε ένα τέλειο κενό είναι ο διαγαλαξιακός χώρος. Υπάρχει ακόμα υπολειμματική ακτινοβολία και το περιττό άτομο, ιόν και υποατομικό σωματίδιο. Εξακολουθεί να υπάρχει διακύμανση κενού. Όμως, υπάρχουν περίπου 10 σωματίδια ανά κυβικό μέτρο χώρου. Ένας άλλος τρόπος για να το δείτε είναι ότι εάν εξετάσετε ένα τυχαίο κυβικό μέτρο διαγαλαξιακού χώρου, το πιθανότερο είναι ότι δεν θα περιέχει ύλη.

Το καλύτερο κενό σε εργαστηριακή ρύθμιση έχει πίεση γύρω στα 13 picoPascals (13 x 10 Pa). Ένα κρυογονικό σύστημα κενού επιτυγχάνει ένα σχεδόν τέλειο κενό με πίεση περίπου 6,7 femtoPascals (6,7 x 10- Pa). Συγκριτικά, η ατμοσφαιρική πίεση είναι περίπου 100 kPa ή 100.000 Pa.

Αναφορές

• Beckwith, Thomas G.; Marangoni, Roy D.; Lienhard, John H. (1993). «Μέτρηση χαμηλών πιέσεων». Μηχανικές μετρήσεις (5η έκδ.). Reading, Μασαχουσέτη:Addison-Wesley. ISBN 978-0-201-56947-6.
• Chambers, Austin (2004). Σύγχρονη Φυσική Κενού . Boca Raton:CRC Press. ISBN 978-0-8493-2438-3.
• Genz, Henning (2001). Nothingness:The Science Of Empty Space . Da Capo Press. ISBN 978-0-7382-0610-3.
• Ishimaru, Η (1989). «Τελική πίεση της τάξης των 10 torr σε θάλαμο κενού από κράμα αλουμινίου». Journal of Vacuum Science and Technology . 7 (3–II):2439–2442. doi:10.1116/1.575916