Pozostałe części cyklu

Część 2: Próżnie kosmiczne
Część 3: Próżnie relatywistyczne
Część 4: Próżnie kwantowe

Cykl jest odpowiedzią na prośbę czytelnika

Już starożytni Grecy

Już w starożytności zastanawiano się, czy istnieje przestrzeń całkowicie pusta, to jest wypełniona niczym. W kręgach filozofów starogreckich istniały szkoły różnie wyobrażające sobie, czym jest materia i czym jest jej brak. W V/IV w. p.n.e. Leukippos z Miletu (znany też w tradycji polskiej jako Leucyp) oraz jego uczeń Demokryt z Abdery rozwinęli teorię atomistyczną (reprezentowaną także przez Epikura, a w I w. p.n.e. przez Rzymianina Lukrecjusza). Zakładała ona, że materia ma strukturę dyskretną: składa się z bytów elementarnych zwanych atomami (átomos znaczy po grecku ‘niepodzielny, niedający się pociąć’). Atomy miały według niej różną wielkość i formę geometryczną. Były niezmienne, ale znajdowały się w nieustannym ruchu, oddziałując z sobą i łącząc się w zmienne konfiguracje. Pierwotnie ruch atomów miał być całkowicie chaotyczny, ale stopniowo dzięki zderzeniom nabrał cech samoorganizacji. Powstały z niego różne substancje i struktury – w tym Ziemia wraz ze wszystkim, co na niej widzimy, a także inne, podobne do niej światy. Przestrzeń, w której kotłowały się atomy, nie zawierała nic ponadto: była doskonałą próżnią (kenón) – drugim oprócz materii komponentem Wszechświata.

Inni filozofowie, z Arystotelesem (IV w. p.n.e.) na czele, zaprzeczali istnieniu niepodzielnych atomów, wyobrażając sobie materię jako coś ciągłego, czyli podzielnego w nieskończoność. Arystoteles przejął od Empedoklesa z Agrygentu teorię czterech elementów (żywiołów), z których składa się nasz świat: ziemi, wody, powietrza i ognia. Każdy z nich był substancją ciągłą, podzielną w nieskończoność. Grecy doskonale zdawali sobie sprawę z tego, że również powietrze jest materią i że może się poruszać, czego dowodem jest zjawisko wiatru. „Puste” naczynie jest w istocie pełne powietrza. Gdyby jednak jakimś cudem udało się je całkowicie usunąć, jego miejsce zająłby wprowadzony przez Arystotelesa piąty, skrajnie subtelny żywioł, mianowicie eter (aithḗr). Słowo to oznaczało po starogrecku czystą esencję powietrza (jaką zdaniem filozofów oddychali olimpijscy bogowie), a także jasne niebo; pochodziło zaś od czasownika aíthō ‘rozpalić’. Eterem, według Arystotelesa, wypełnione były zewnętrzne sfery Wszechświata, zawierające ciała niebieskie: planety, Słońce i gwiazdy stałe.

Opór antyatomistów przed koncepcją próżni przypominał niechęć wczesnych matematyków do traktowania zera jako liczby – bo czyż twierdzenie, że nicość jest „czymś”, nie jest wewnętrznie sprzeczne? Czy niebyt może być? Czy w próżni w ogóle możliwy jest ruch, skoro nie ma względem czego się poruszać? I próżnia, i zero bywały zatem odrzucane z pobudek filozoficznych, a nawet religijnych. Całkiem poważnie roztrząsano pytanie, czy sam Bóg, gdyby zechciał, mógłby stworzyć próżnię doskonałą.

Od filozofii do praktyki

Jednak zamiast filozofować, można do kwestii próżni podejść empirycznie i zobaczyć, co z tego wyniknie. Czy można w praktyce uzyskać stan próżni, którą można by nazwać techniczną –  przestrzeń może nie absolutnie pustą, ale na tyle pozbawioną wszelkiej materii, na ile jest to praktycznie możliwe? Heron z Aleksandrii (I–II w. n.e.) eksperymentował z rozrzedzaniem i sprężaniem powietrza, a wnioski ze swoich doświadczeń opisał w traktacie Pneumatyka. Jego zdaniem samo zjawisko sprężystości objętościowej powietrza dowodziło istnienia próżni absolutnej, czyli pustego miejsca między cząsteczkami gazu – Heron należał bowiem do zwolenników atomizmu. Jeśli przyjmiemy, że cząsteczki te nie zmieniają objętości, to rozrzedzanie lub sprężanie powietrza musi sprowadzać się do tego, że zmienia się odległość między nimi. W komorze zawierającej powietrze znajduje się zatem określona objętość próżni, w której porusza się mniejsza lub większa liczba „atomów” powietrza. Heronowi nie udało się jednak wytworzyć sztucznie próżni choćby zbliżonej do doskonałej.¹

Koniec strachu przed próżnią

Aż do XVII w. dominował pogląd, że natura nie znosi próżni (natura abhorret vacuum) i zawsze znajdzie sposób, żeby się przeciwstawić próbie jej wytworzenia. Pogląd ten obalił w 1643–1644 r. Evangelista Torricelli, przeprowadzając prosty eksperyment ze słupkiem rtęci w rurce zamkniętej na górnym końcu. Dolny koniec rurki jest zanurzony w otwartym naczyniu z rtęcią. Jeśli wysokość słupka nad powierzchnią rtęci w naczyniu osiąga ok. 76 cm, na górnym końcu rurki powstaje próżnia (patrz ryc. 1). Wysokość słupa rtęci nie zależy od tego, czy zamknięty koniec rurki pozostaje wąski, czy np. rozszerza się w kulistą bańkę. Ciśnienie hydrostatyczne wywierane przez ciężar rtęci w rurce dokładnie równoważy ciśnienie atmosferyczne działające na rtęć w naczyniu.

Nieco późniejsze eksperymenty zaprojektowane przez Blaise’a Pascala wykazały, że poziom rtęci w rurce w stanie równowagi maleje wraz z wysokością nad poziomem morza, co odpowiada spadkowi ciśnienia powietrza.² Tak powstały prototypy barometrów rtęciowych.

Takie samo doświadczenie można przeprowadzić z wodą, tyle że słup wody musi być 13,5 razy wyższy, bo tyle razy gęstość wody jest mniejsza od gęstości rtęci. Już wcześniej wiedziano, że nawet najlepsza pompa nie jest w stanie wypompować wody z głębokości powyżej 34 stóp (ok. 10 m). Intrygowało to m.in. Galileusza, nauczyciela Torricellego. Torricelli wyjaśnił, dlaczego tak się dzieje. Dziesięciometrowy słup wody (podobnie jak 76-centymetrowy słup rtęci) wywiera ciśnienie równoważące ciśnienie atmosferyczne, więc zasysanie wody przez pompę na większą wysokość przestaje być możliwe: wewnątrz pompy wytwarza się próżnia (zwana na cześć swojego odkrywcy próżnią Torricellego)

Innymi słowy – siłą, która podnosi wodę w rurze, nie jest mityczny horror vacui, czyli rzekome dążenie natury do przeciwstawienia się próżni, tylko zewnętrzny nacisk powietrza (substancji posiadającej masę i wywierającej dzięki temu ciśnienie).³ Ciśnienie powietrza wyznacza granicę, powyżej której nie można za jego pomocą podnieść poziomu cieczy w rurze.

Od próżni niskiej do ultrawysokiej

Okazało się zatem, że natura wcale nie boi się próżni i nie wychodzi ze skóry, żeby uniemożliwić jej powstanie. Niebawem pojawiły się pomysłowe „pompy próżniowe” z tłokami i zaworami, które umożliwiały niemal całkowite pozbycie się powietrza z zamkniętego pojemnika. Pierwszą z nich wynalazł Otto von Guericke w 1650 r. i cztery lata później wykorzystał ją w słynnym (replikowanym publicznie do dziś) doświadczeniu z półkulami magdeburskimi, tak silnie ściskanymi przez ciśnienie atmosferyczne po wypompowaniu spomiędzy nich powietrza, że nie mogły ich rozerwać dwa zaprzęgi po 15 koni każdy.

Oczywiście ani próżnia Torricellego, ani tym bardziej próżnia uzyskiwana za pomocą pompy von Guerickego nie były doskonałe. Nawet przy najstaranniejszym wykonaniu eksperymentu Torricellego otrzymana próżnia musi zawierać co najmniej pary rtęci, których ciśnienie np. w temperaturze 25°C wynosi 261 mPa (czyli jest ok. 388 tysięcy razy mniejsze niż ciśnienie powietrza na poziomie morza).⁴ Jest to całkiem przyzwoita próżnia, ale w wielu współczesnych zastosowaniach potrzebujemy próżni doskonalszej o całe rzędy wielkości i wytwarzanej w bardziej praktyczny sposób. Usprawnione wersje pompy próżniowej von Guerickego używane przez następne 200 lat pozwalały prawdopodobnie uzyskiwać ciśnienie rzędu 100 Pa (czyli jednej tysięcznej zwykłego ciśnienia atmosferycznego).⁵ Konstrukcja tłoka i zaworów nie pozwalała na więcej. Kolejne udoskonalenia pomp tłokowych pod koniec XIX w. (tzw. pompy olejowe) pozwoliły obniżyć to ciśnienie jeszcze kilka tysięcy razy.

W latach pięćdziesiątych XIX w. Heinrich Geissler skonstruował prototyp pompy rtęciowej, inspirowanej mechanizmem wytwarzania próżni Torricellego. Można było dzięki niej uzyskać ciśnienie ok. 10 Pa (dziesięć tysięcy razy niższe od atmosferycznego) – wówczas rekordowo niskie, a według dzisiejszej terminologii mieszczące się w zakresie próżni średniej (około trzech biliardów molekuł na centymetr sześcienny). Ten typ pompy także udoskonalano w następnych dziesięcioleciach. Próżnią coraz lepszej jakości zaczęli się wówczas interesować fizycy badający zjawiska elektryczne, co z kolei motywowało konstruktorów do szukania nowych rozwiązań technicznych. Na początku XX w. wynaleziono kilka kolejnych typów pomp próżniowych, znów doskonalonych przez kolejne sto lat. Wykorzystywano je coraz szerzej, między innymi w produkcji termosów (próżnia jest świetnym izolatorem ciepła), a przede wszystkim lamp elektronowych, które zapoczątkowały rozwój elektroniki – radia, telewizji czy technologii radarowej.⁶

Ekstremalne próżnie współczesne

Dziś próżnia wysoka lub ultrawysoka potrzebna jest w licznych zastosowaniach praktycznych, na przykład przy tworzeniu cienkich powłok wysokiej jakości metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej, przy produkcji układów półprzewodnikowych i wytwarzaniu różnych wyszukanych materiałów, w spektrometrach mas itd. Największą objętościową próżnią wytworzoną dotąd przez człowieka jest wnętrze tunelu Wielkiego Zderzacza Hadronów: 15 000 m³ próżni izolującej (pod ciśnieniem ok. jednej miliardowej atmosfery) i znacznie mniejsza objętość rury, w której przyśpieszane są protony (tu utrzymywane jest ciśnienie poniżej jednej dziesięciobilionowej atmosfery, czyli próżnia ultrawysoka, mniej więcej taka, jak na powierzchni Księżyca). W centymetrze sześciennym takiej próżni można znaleźć kilkaset tysięcy cząsteczek gazu.

Współczesne metody wytwarzania bardzo wysokiej, czystej próżni polegają na stopniowym obniżaniu ciśnienia za pomocą odpowiednio dobranych pomp różnego typu. Najpierw przy pomocy pomp wyporowych (których prototypem była pompa von Guerickego) osiąga się szybko stan próżni średniej, czyli ciśnienie rzędu 1 Pa. Teraz dopiero można uruchomić pompę wydajniejszą, np. turbomolekularną z wirnikiem wykonującym około 1000 obrotów na sekundę. Łopatki wirnika przekazują energię kinetyczną cząsteczkom rozrzedzonego gazu, wypychając je poza komorę pompy. Ogromna prędkość obrotów sprawia, że pompa turbomolekularna musi pracować przy bardzo niskim ciśnieniu roboczym i być znakomicie łożyskowana, inaczej groziłoby jej szybkie przegrzanie i uszkodzenie. Pompy tego typu mogą obniżyć ciśnienie nawet do ok. 1 μPa (10^–6 Pa – jest to mniej więcej jedna stumiliardowa ciśnienia atmosferycznego).⁷ Pompa turbomolekularna lepiej radzi sobie z usuwaniem molekuł cięższych, jak N₂ i O₂ (azot i tlen cząsteczkowy) lub argon, niż bardzo lekkich, jak wodór i hel.

Jeśli konieczne jest wytworzenie próżni naprawdę ekstremalnej, można zastosować pompę jonową. Molekuły gazu nadal znajdujące się w komorze są jonizowane i przyśpieszane za pomocą wysokiego napięcia. Uderzając w katodę tytanowo-tantalową wybijają z niej drobiny metalu. Pył metalowy opada na ściany komory, tworząc warstwę, w której pozostałości gazu wiązane są chemicznie lub fizycznie. Najniższe ciśnienie uzyskane tą metodą w laboratoriach CERN wynosiło nieco ponad 10^–17 ciśnienia atmosferycznego. A ponieważ powietrze w normalnych warunkach zawiera ok. 3 · 10¹⁹ cząsteczek na cm³, łatwo policzyć, że wytworzono „próżnię” o gęstości molekularnej kilkuset cząsteczek na cm³. Nieźle jak na warunki ziemskie, ale jak się przekonamy w następnym odcinku, niemal cały Wszechświat składa się z próżni o wiele doskonalszej.

Przypisy

1. Trzymając się rozumowania Herona, próżnię bliską doskonałości można by było empirycznie poznać po tym, że zawierające ją naczynie, gdyby je otworzyć pod wodą, obrócone wylotem w dół, zassałoby wodę, wypełniając się nią do końca (lub niemal do końca). ↩︎
2. Na szczycie Puy de Dôme (1464 m n.p.m.) w Masywie Centralnym słupek miał wysokość ok. 63,3 cm, czyli o 127 mm mniej niż na poziomie morza, co starannie ustalił na prośbę Pascala jego szwagier Florin Périer, dla dobra nauki wniósłszy na tę wysokość cały zestaw eksperymentalny. Sam Pascal ze względu na słabe zdrowie nie palił się do wspinaczki. ↩︎
3. Torricelli wyciągnął stąd wniosek, że atmosfera Ziemi przypomina ocean, tyle że składający się z powietrza, a nie z wody; my żyjemy na jego dnie i podlegamy naciskowi wywieranemu przez ciężar powietrza. Pascal wykazał, że nacisk ten zmienia się wraz z głębokością zanurzenia, analogicznie do ciśnienia wody w oceanie. ↩︎
4. Patrz Gaffney & Marley 2014. ↩︎
5. Jest to notabene ciśnienie wyższe niż średnie ciśnienie atmosfery Marsa na jego powierzchni. ↩︎
6. Przed rewolucją, jaką stanowiło wprowadzenie tranzystorów, a następnie półprzewodnikowych układów scalonych, lampy elektronowe były podstawą technologii elektronicznej. Prototypowy komputer ENIAC, działający w latach 1945–1955, zawierał ponad 18 tysięcy lamp próżniowych. ↩︎
7. Mowa o typowej wydajności pomp tego typu, bo rekordowe ciśnienia osiągane w ten sposób mogą być jeszcze niższe. ↩︎

Opisy ilustracji

Ilustracja w nagłówku. Fluktuacje chromodynamicznej próżni kwantowej. Fragment wizualizacji 3D Dereka Leinwebera, wykorzystanej w wykładzie noblowskim Franka Wilczka (2004). Źródło: Wikipedia (licencja CC BY-SA 4.0).
Ryc. 1. Eksperyment Torricellego. Ilustracja wygenerowana za pomocą aplikacji: Anping Zeng (2011), Torricelli´s Experiment, Wolfram Demonstrations Project (licencja CC BY-NC-SA).
Ryc. 2. Pompa olejowa łopatkowa firmy Busch, służąca do wytwarzania próżni średniej (minimalne ciśnienie końcowe 0,67 Pa wg producenta). Zdjęcie: Wiesław Seweryn (licencja CC BY-SA 3.0)