科学では、完全な真空 は、粒子を含まず、圧力がゼロの理想的な真空です (任意の圧力単位で)。完全な真空は理論的な概念であり、現実の世界では実現できません。しかし、自然と実験室の両方で近づくことは可能です。
掃除機の仕組み
完全な真空が不可能な理由を理解するには、真空がどのように機能するかを理解することが役立ちます。定義上、真空とは物質をほとんどまたはまったく含まない体積です。大気圧で空気よりも粒子が少ない領域は真空です。 (不完全な) 掃除機のよく知られた例には、掃除機の吸引、白熱電球の内部、月の大気などがあります。
真空を形成する 1 つの方法は、吸引を使用することです。吸引は、領域からパーティクルを引き出します。たとえば、掃除機のモーターは、空気や小さな物体を吸い込むファンに電力を供給します。掃除機をプラスチック ボトルのような固い容器に取り付けると、その空気の一部が空になります。しかし、完全な (または特に優れた) 真空を形成することはできません。
真空を形成するもう 1 つの方法は、一定量の物質の体積を膨張させることです。たとえば、「空の」注射器の端にキャップをしてプランジャーを引き戻すと、一定量の空気の量が増えます。ボリュームを無限に拡大すると、完全な真空が生成されます。
完全な真空が不可能な理由
完全な真空を形成することは不可能です。空間からすべての原子または分子を除去するデバイスはなく、体積を無限に拡大することはできず、すべての外側の粒子が容器内に入るのを防ぐことはできません.
研究者は、複数の真空ポンプを使用してほぼ完全な真空を実現します。しかし、他の考慮事項もあります。圧力が低下すると、容器の壁からガスが放出されます。 アウトガス 表面に閉じ込められた水、空気、またはその他の分子が蒸発または昇華するときです。乾燥剤を使用するか、容器を焼くと役立ちます。また、漂遊分子 (「ゲッター」) を引き付けてトラップする特別なコーティングを容器の壁に施すことで、真空度が向上します。
科学者が何らかの方法でチャンバーからすべての原子を取り除いたとしても、内部を外部放射線から保護することは不可能です.宇宙線からのミューオン、ビッグバンと太陽からのニュートリノ、および宇宙背景放射からの光子は、コンテナを通り抜けて空の空間に入ります。コンテナをミュオンと光子から保護することは可能ですが、ニュートリノは人工の真空に入り込みます。
完璧なシールドでも完全な真空にはなりません。これは、量子力学とハイゼンベルグの不確定性原理によると、コンテナ内の見かけの空虚とコンテナの外側の物質との間には依然として関連性があるためです。言い換えれば、空間のどの領域にも常に真空のゆらぎがあります。
どこまで完全な真空に近づけることができますか?
自然界では、完全な真空に最も近いのは銀河間空間です。まだ残留放射線と奇数の原子、イオン、および亜原子粒子があります。真空変動は依然として発生します。しかし、空間 1 立方メートルあたり約 10 個の粒子があります。別の見方をすれば、ランダムな立方メートルの銀河間空間を調べると、そこに物質が含まれていない可能性が高いということです。
実験室の設定で最高の真空は、約 13 ピコパスカル (13 x 10 Pa) の圧力です。極低温真空システムは、約 6.7 フェムト パスカル (6.7 x 10-Pa) の圧力でほぼ完全な真空を実現します。それに比べて、大気圧は約 100 kPa または 100,000 Pa です。
参考文献
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