1.1 Сучасні фізичні уявлення про вакуум.

Дуже цікаві ідеї висловлюються останнім часом фізиками щодо природи так званого вакууму. Свого часу вважалося, що вакуум – це просто ніщо, порожнеча, простір, повністю позбавлене Материн, своєрідна арена, на якій розігруються всі відбуваються в природі речові процеси.

Але цим, на перший погляд таким природним, само собою зрозумілим уявленням судилося з часом зазнати досить серйозні зміни. Спочатку з’ясувалося, що повної порожнечі в природі не існує. Її немає навіть там, де абсолютно відсутня який би то не було речовина. Вже в XVIII столітті Фарадей стверджував, що «матерія є присутня скрізь і немає проміжного простору, не зайнятого нею».

Проте незабаром з’ясувалися ще більш вражаючі речі. Уявіть собі на хвилину, що нам якимось чином вдалося зовсім спустошити деяку область простору, вигнати з неї частки, випромінювання та поля. Так ось навіть у цьому випадку все одно залишилося б «щось». Певний запас енергії, який у вакууму не можна відібрати ніякими способами.

Знайшлися і зовсім «крамольні» факти. Виявилося, що вакуум здатний народжувати елементарні частинки, народжувати речовину …

Мало того, із самим вакуумом можуть відбуватися різні фізичні перетворення: він здатний взаємодіяти з чимось й навіть сам з собою.

Частинки з порожнечі? Порожнеча взаємодіє з порожнечею? Чи означає це, що руйнується один із самих основних законів природи – закон збереження матерії?

Чи треба говорити, що ця проблема має не тільки суто фізичний, але і філософський інтерес.Адже вакуум являє собою дещо більше універсальне і всеосяжне, ніж будь-яка інша відома нам форма існування Материн. Може бути, вакуум і є тією «протосредою», з якої можуть утворюватися всі інші види речовини і матерії. Зокрема, радянський вчений Г. Наан висловив цікаве припущення про те, що вакуум являє собою не що інше, як нескінченно великий запас енергії одного знаку, компенсований енергією іншого знаку. Таким чином, вакуум – це як би сукупність, своєрідна єдність протилежностей.Коли ж із вакууму утворюються інші форми матерії, які і складають те, що ми називаємо Всесвіту, ці протилежності розділяються. Не виключена можливість, що з подібної точки зору вдасться пояснити такі явища, як освіта космічних променів високих енергій, спалахи надзірок, освіта радіогалактик, а також початок розширення Метагалактики.

У всякому разі, у розпорядженні сучасної науки вже є певні дані, що свідчать про те, що вакуум, можливо, грає дуже велику роль у багатьох природних процесах.Зокрема, академік Наап звернув увагу на один цікавий факт, виявлений при вивченні гравітаційних вибухів – особливих процесів, що відбуваються у Всесвіті, при яких відбувається нестримне катастрофічне стиск або розліт великих мас речовини.

Ця обставина багато в чому збільшує інтерес до подальшого вивчення властивостей простору і часу.

Космічний простір, в якому зараз функціонують космічні апарати, дуже різниться за своїми фізичними характеристиками. Це і верхні шари атмосфери Землі, інших планет, деяких їх супутників і кометних ядер, це і міжпланетний простір, це, нарешті, і міжзоряний простір, до якого наближаються в даний час автоматичні станції «Піонер-10», «Піонер-11», «Вояжер-1», а незабаром і «Вояжер-2» (після прольоту Нептуна). У зв'язку з цим є різними і умови космічного вакууму, в яких працюють системи космічних апаратів.

Наприклад, астрономічні спостереження показують, що міжзоряний простір в областях іонізованого водню характеризується середньою концентрацією часток близько 106 м^-3 і температурою близько 100 К. Інші характеристики вакууму в міжпланетному просторі, який заповнений частками міжпланетної плазми, що мають в основному сонячне походження. Взагалі кажучи, умови в міжпланетному просторі широко варіюють залежно від сонячної активності, що змінюється з 11-річним та іншими циклами.

Властивості навколоземного простору багато в чому визначаються будовою земної атмосфери, однією з основних характеристик якої є атмосферний тиск. Зі збільшенням висоти над поверхнею Землі атмосферний тиск швидко зменшується, що пов'язано з усе меншою концентрацією часток в земній атмосфері в більш верхніх її шарах. Атмосферний тиск - це тиск атмосферного стовпа на певній висоті, і чим менше часток в стовпі (чим менше його маса), тим менше і тиск. p> Вперше на те, що повинна існувати залежність тиску повітря від висоти місцевості, звернув увагу Б. Паскаль. Він піднявся на дах високого будинку і виявив, що в міру підйому рівень ртуті в манометричної трубці знижується. У 1647 р. його родич Ф. Пер'є піднявся на гору Пюї де Будинок в овернского провінції (Франція) і повністю підтвердив припущення Б. Паскаля.

Подальші докладні дослідження дозволили визначити атмосферний тиск і температуру на різних висотах від поверхні Землі. На рис. 1, наприклад, показані тиску атмосфери Землі в залежності від висоти над її поверхнею за даними, що були в 1958 р., тобто на початок космічної ери. У табл. 1 наведені сучасні дані про розподіл атмосферного тиску, температури і концентрації частинок нейтральної складової атмосфери Землі при різному видаленні від земної поверхні.

Рис. 1. Тиск повітря на різній висоті над поверхнею Землі (за даними 1958 р.): 1 - тропосфера, 2 - стратосфера, 3 - іоносфера (1 торр = 133 Па).

Таблиця 1.1

Деякі характеристики атмосфери Землі в залежності від висоти

над рівнем моря в умовах середньої сонячної активності.

З порівняння рис. 1 і табл. 1 випливає, що ранні дані на сьогодні вже неточні, причому розбіжність збільшується з висотою. Так, якщо на висоті 100 км фактичний тиск нижче зазначеного на рис. 1 приблизно в 50 раз, то на великих висотах воно, навпаки, вище зазначеного на рис. 1. Таким чином, приблизно за чверть століття космічної ери були істотно уточнені наші знання про навколишній нас навколоземному космічному просторі, в тому числі і про характеристики його космічного вакууму.