Tekst źródłowy strony Próżnia

[[Plik:Kolbenluftpumpe hg.jpg|thumb|250px|Pompa do ilustracji zjawiska próżni]]
[[Plik:Vacuum chamber-being opened by engineer.jpeg|thumb|250px|Komora próżniowa ([[NASA]])]]
'''Próżnia''' – w rozumieniu tradycyjnym pojęcie równoważne pojęciu pustej [[Przestrzeń (fizyka)|przestrzeni]]. We współczesnej [[fizyka|fizyce]], [[technika|technice]] oraz rozumieniu potocznym pojęcie próżni ma zupełnie odmienne konotacje.

== Próżnia w sensie fizyki ==
W [[Fizyka teoretyczna|fizyce teoretycznej]] termin ''próżnia'' oznacza stan o najniższej energii.

=== Historia pojęcia ===
Istnienie i sposób rozumienia pojęcia próżni zmieniało się w [[historia fizyki|historii fizyki]]. W starożytnej koncepcji [[atomizm|atomistycznej]] [[Leukippos]]a i [[Demokryt]]a materialne atomy poruszały się w próżni<ref>{{cytuj książkę |nazwisko=Reale |imię=Giovanni |tytuł=Historia filozofii starożytnej |tom=1 |wydawca=Wydawnictwo KUL |miejsce=Lublin |rok=1994 |strony=192–193}}</ref>. Z kolei [[Arystoteles]] uznawał, że próżnia jest niemożliwa, jest bowiem niebytem. Ruch ciał oznacza przesuwanie jednych rodzajów rzeczy (np. powietrza) i zastępowanie ich innymi (np. poruszanym ciałem). Jedno ciało zastępuje inne ciało, a pomiędzy nimi nie ma żadnych przerw<ref>{{cytuj książkę |nazwisko=Reale |imię=Giovanni |tytuł=Historia filozofii starożytnej |tom=2 |wydawca=Wydawnictwo KUL |miejsce=Lublin |rok=2001 |strony=443}}</ref>. Jego następcom przypisuje się znane powiedzenie ''natura nie znosi próżni'' ([[horror vacui]]). Atomizm, wraz z uznaniem istnienia próżni, przyjmowany był m.in. przez [[epikureizm|epikurejczyków]]<ref>{{cytuj książkę |nazwisko=Reale |imię=Giovanni |tytuł=Historia filozofii starożytnej |tom=3–4 |wydawca=Wydawnictwo KUL |miejsce=Lublin |rok=1999 |strony=218}}</ref>. Poglądem dominującym, aż do XVI w. był jednak [[arystotelizm]]. Problem próżni był również jednym z najważniejszych w [[filozofia średniowieczna#filozofia przyrody|średniowiecznej filozofii przyrody]] (m.in. [[Jan Buridan]]), gdzie łączono go z problematyką Boskiej władzy (czy Bóg może stworzyć próżnię?)<ref>{{cytuj książkę |tytuł=The Cambridge Companion to Medieval Philosophy |inni=A.S. McGrade (ed.) |autor r=Edith Dudley Sylla |rozdział=Creation and Nature |wydawca=Cambridge University Press |rok= 2003 |strony=184–187}}</ref>.

Na przełomie XVI i XVII wieku istnienie próżni zostało wykazane [[empiryzm|empirycznie]] przez [[Evangelista Torricelli|Torricellego]] ([[doświadczenie Torricellego]]). Pojęcia tego używał też [[Galileusz]]. Pojęcie próżni występuje wyraźnie w pracach [[Isaac Newton|Newtona]], a podstawowe reguły [[mechanika klasyczna|mechaniki newtonowskiej]] sformułowane są w odniesieniu do ruchu [[Ciało (fizyka)|ciał materialnych]] w próżni. Z mechaniki newtonowskiej pochodzi potoczne rozumienie próżni jako spójnego obszaru [[Przestrzeń (fizyka)|przestrzeni]], w której nie ma [[cząstka|cząstek]] obdarzonych [[masa (fizyka)|masą]]. Stan ten nazywa się też czasem ''próżnią absolutną''. Pod koniec XIX wieku w związku z [[hipoteza|hipotezą]] wypełniającego przestrzeń [[eter (fizyka)|eteru]] jako nośnika [[Promieniowanie elektromagnetyczne|fal elektromagnetycznych]] zaczęto kwestionować istnienie próżni. Jednakże negatywny wynik [[doświadczenie|doświadczeń]] mających na celu wykrycie ruchu względem eteru (zwłaszcza [[doświadczenie Michelsona-Morleya|doświadczenia Michelsona-Morleya]]) spowodował utrwalenie pojęcia próżni.

=== Mechanika klasyczna ===
W mechanice klasycznej próżnia oznacza obszar, w którym nie ma mogących oddziaływać ciał.

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

=== Mechanika kwantowa ===
{{Dopracować|sekcja|źródła=2010-06}}
{{Zobacz też|Fałszywa próżnia}}
W obowiązującym obecnie [[Model standardowy|modelu standardowym]] stanowiącym połączenie [[chromodynamika kwantowa|chromodynamiki kwantowej]] i [[Teoria oddziaływań elektrosłabych|teorii oddziaływań elektrosłabych]] ''próżnia'' jest stanem o najniższej, lecz niezerowej energii, z czym związane jest łamanie symetrii oddziaływania elektrosłabego. W modelu standardowym istnieje [[elektrodynamiczna próżnia kwantowa]] i [[chromodynamiczna próżnia kwantowa]]. Istnienie energii próżni wykazały doświadczenia potwierdzające istnienie tzw. [[efekt Casimira|efektu Casimira]]. W [[Kwantowa teoria pola|kwantowej teorii pola]] [[Cząstka elementarna|cząstki elementarne]] poruszają się w próżni, a oddziaływania między nimi przenoszone są poprzez [[nośniki oddziaływań]]. Kwantowa teoria pola przewiduje istnienie [[Cząstka wirtualna|cząstek wirtualnych]], co zostało potwierdzone doświadczalnie oraz [[cząstka wirtualna#polaryzacja próżni|polaryzacji próżni]].

Tak rozumiana próżnia wypełniona jest co najmniej jednym [[pole skalarne|polem skalarnym]], czyli [[pole Higgsa|polem Higgsa]]. Istnienie tego pola jest niezbędne dla nadania niezerowych mas [[Lepton (mechanika kwantowa)|leptonom]] (przykładowo [[elektron]], [[mion]], [[taon]]) oraz [[bozony cechowania|bozonom cechowania]] [[Oddziaływanie słabe|oddziaływania słabego]]. Z istnieniem pola Higgsa związane jest istnienie kwantów tego pola, tj. [[Bozon Higgsa|cząstek Higgsa]]. Doświadczenia [[ATLAS (detektor)|ATLAS]] i [[CMS (detektor)|CMS]], przeprowadzone w [[Wielki Zderzacz Hadronów|Wielkim Zderzaczu Hadronów]] (znajdującym się w [[CERN|CERN-ie]] w pobliżu [[Genewa|Genewy]]) pozwoliły na potwierdzenie istnienia cząstki Higgsa, co zostało ogłoszone 4 lipca 2012 r.

Niektóre wielkości fizyczne, przykładowo lokalna [[gęstość energii]] czy kwadrat pola elektrycznego mogą osiągać wartości mniejsze od ich wartości oczekiwanych w próżni (VEV). Efekty te nazywa się efektami podpróżniowymi<ref>{{Cytuj |autor = Anastasia Korolov, L.H. Ford |tytuł = Maximal subvacuum effects: A single mode example |czasopismo = Physical Review D |data = 2018-08-28 |data dostępu = 2018-08-29 |wolumin = 98 |numer = 3 |s = 036020 |doi = 10.1103/PhysRevD.98.036020 |url = https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.98.036020}}</ref>.

W kwantowej teorii pola przez próżnię rozumie się często rezerwuar cząstek wirtualnych. Tak rozumiane pojęcie próżni odbiega bardzo od potocznego i inżynieryjnego 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 abstrakcyjnym 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 [[Oddziaływanie silne|oddziaływań silnych]], słabych i grawitacyjnych).

== Próżnia w sensie technicznym ==
Próżnia w sensie technicznym jest to stan wysokiego rozrzedzenia gazu. Granica między rozrzedzonym gazem a tak rozumianą próżnią jest dyskusyjna. Często układ traktuje się jako próżnię, jeśli [[średnia droga swobodna]] [[cząsteczka|cząsteczek]] [[gaz]]u porównywalna jest z rozmiarami naczynia, w którym umieszczony jest ten gaz.

== Jakość próżni ==
W [[fizyka doświadczalna|fizyce doświadczalnej]] jest to stan, w którym w danym miejscu występuje bardzo niskie [[ciśnienie]] [[gaz]]u. Pojęcie to jest bardzo nieostre. W tym sensie rozróżnia się próżnie:

{| class="wikitable"
|-
!
! [[Ciśnienie]]<br />w hPa
! Liczba [[cząsteczka|cząsteczek]]<br />na cm³
! [[Średnia droga swobodna]]<br />cząsteczki
! Liczba zderzeń z<br />powierzchnią (cm<sup>−2</sup> s<sup>−1</sup>)
|-
| [[Ciśnienie atmosferyczne]] || 1013,25
| 2,7{{E|19}}
| 68 nm
| {{10^|23}}
|-
| Próżnia niska
| 300…1
| {{10^|19}}…{{10^|16}}
| 0,1…100 μm
| {{10^|23}}…{{10^|20}}
|-
| Próżnia średnia
| 1…{{10^|−3}}
| {{10^|16}}…{{10^|13}}
| 0,1…100 mm
| {{10^|20}}…{{10^|17}}
|-
| Próżnia wysoka (HV)
| {{10^|−3}}…{{10^|−7}}
| {{10^|13}}…{{10^|9}}
| 10 cm…1 km
| {{10^|17}}…{{10^|13}}
|-
| [[Próżnia bardzo wysoka UHV|Próżnia bardzo wysoka (UHV)]]
| {{10^|−7}}…{{10^|−12}}
| {{10^|9}}…{{10^|4}}
| 1 km…{{10^|5}} km
| {{10^|13}}…{{10^|8}}
|-
| Próżnia ekstremalnie wysoka (XHV)
| {{10^|−12}}…{{10^|−14}}
| {{10^|4}}…{{10^|2}}
| {{10^|5}}…{{10^|7}} km
| {{10^|8}}…{{10^|6}}
|-
| [[Przestrzeń kosmiczna]]
| {{10^|−7}}…{{10^|−16}}
| {{10^|9}}…1
| 1…{{10^|9}} km
| {{10^|13}}…{{10^|4}}
|-
| Próżnia absolutna (doskonała)
| 0
| 0
| <math>\infty</math>
| 0
|}

Rozróżnia się też stan czystości próżni, gdyż próżnia i naczynie, przyrządy w niej znajdujące się mogą zostać podczas otrzymywania próżni zanieczyszczone kropelkami [[Oleje|oleju]] lub innych substancji używanych do pompowania.

=== Rekord ===
Najlepsza sztucznie wytworzona przez człowieka na Ziemi próżnia, wynosi {{10^|−13}} [[Tor (jednostka)|Tr]] (~ 1,3{{E|−13}} [[Bar (jednostka)|mbar]]).
<!-- Teoretycznie istnieje możliwość wytworzenia próżni ok. 2 × 10<sup>−14</sup> Tr, za pomocą tej samej aparatury, jednak wtedy pojawiają się poważne kłopoty z jej mierzeniem. -->
Aby osiągnąć tak dobrą próżnię, komora zbudowana jest z wysokiej czystości stopów aluminium, zamiast stali szlachetnej używanej normalnie.
Dla porównania, próżnie {{10^|−10}} ÷ {{10^|−11}} mbar są uzyskiwane stosunkowo łatwo.

== Standardowa procedura otrzymywania wysokiej próżni ==
=== Pompowanie ===
Aby otrzymać próżnię do celów naukowych lub specjalistycznych, stosuje się kilka poziomów pomp. Standardowy układ do otrzymywania wysokiej HV lub bardzo wysokiej [[Próżnia bardzo wysoka UHV|UHV]] próżni składa się z:
* przedpróżnia
: pompa olejowa („pompa rotacyjno-skrzydełkowa”)
:: zakres pracy: od ciśnienia atmosferycznego do max {{10^|−4}} mbar
* próżnia wysoka
: [[pompa turbomolekularna]]
:: zakres pracy: od {{10^|−1}} mbar do max {{10^|−9}} mbar
: [[pompa dyfuzyjna]]
:: zakres pracy: od {{10^|−5}} mbar do ok. {{10^|−10}} mbar
* próżnia bardzo wysoka
: [[pompa jonowa]] najczęściej z wbudowaną [[pompa sublimacyjna|pompą sublimacyjną (tytan)]]
:: zakres pracy: od {{10^|−7}} mbar do ok. {{10^|−12}} mbar

=== Wygrzewanie komory ===
W celu otrzymania bardzo wysokiej próżni należy podczas pompowania wstępnego wygrzać komorę próżniową. Głównie robi się to, aby usunąć wodę, olej oraz inne parujące substancje ze ścian komory.

Wygrzanie komory polega na rozgrzaniu jej do temperatury około 200&nbsp;°C (od 150 do 300&nbsp;°C) na jeden do kilku dni, przez co następuje przyspieszona (w stosunku do [[Desorpcja|desorpcji]] w temperaturze pokojowej) desorpcja cząsteczek ze ścian komory.

== Zobacz też ==
{{commonscat|Vacuum}}
{{wikisłownik|próżnia}}
* [[podciśnienie]]
* [[pompa próżniowa]]
* [[próżniomierz]]
* [[energia punktu zerowego|energia próżni]]
* [[Próżnia bardzo wysoka UHV|bardzo wysoka próżnia UHV]]
* [[przestrzeń kosmiczna]]

== Przypisy ==
{{Przypisy}}

== Bibliografia ==
* Ishimaru, H, Ultimate Pressure of the Order of {{10^|−13}} Torr in an Aluminum Alloy Vacuum Chamber, J. Vac. Sci. Technol. A. Vol. 7, no. 3-II, s. 2439–2442. May-June 1989 ([http://dx.doi.org/10.1116/1.575916 link DOI])

== Linki zewnętrzne ==
* {{otwarty dostęp}} Rolf Landua i Anais Rassat, ''[https://www.youtube.com/watch?v=_rJOSDgDG0A Is it possible to create a perfect vacuum?]'', kanał TED-Ed na [[YouTube]], 12 września 2017 [dostęp 2024-08-30].

{{Kontrola autorytatywna}}

[[Kategoria:Próżnia| ]]