Fysiikan määritelmän mukaan "tyhjiön" käsite tarkoittaa, että tietyssä tilassa ei ole ainetta ja aineosia, tässä tapauksessa puhutaan absoluuttisesta tyhjiöstä. Osittainen tyhjiö havaitaan, kun aineen tiheys tietyssä avaruuden paikassa on pieni. Tarkastellaanpa tätä artikkelin ongelmaa tarkemmin.
Tyhjiö ja paine
Konseptin "absoluuttinen tyhjiö" määritelmässä puhumme aineen tiheydestä. Fysiikasta tiedetään, että jos tarkastellaan kaasumaista ainetta, aineen tiheys on suoraan verrannollinen paineeseen. Kun puolestaan puhutaan osittaisesta tyhjiöstä, tarkoitetaan, että ainehiukkasten tiheys tietyssä tilassa on pienempi kuin ilman normaalissa ilmanpaineessa. Siksi tyhjiö on kysymys paineesta kyseisessä järjestelmässä.
Fysiikassa absoluuttinen paine on suuruus, joka on yhtä suuri kuin voiman suhde(mitattuna newtoneina (N)), joka on kohdistettu kohtisuoraan johonkin pintaan, tämän pinnan alueelle (mitattuna neliömetrinä), eli P=F / S, jossa P on paine, F on voima, S on pinta-ala. Paineen yksikkö on pascal (Pa), joten 1 [Pa]=1 [N]/ 1 [m2].
Osittainen tyhjiö
Kokeellisesti on todettu, että 20 °C:n lämpötilassa maan pinnalla merenpinnan tasolla ilmanpaine on 101 325 Pa. Tätä painetta kutsutaan 1. atmosfääriksi (atm.). Suunnilleen voidaan sanoa, että paine on 1 atm. vastaa 0,1 MPa. Vastaamalla kysymykseen kuinka monta ilmakehää on 1 pascalissa, muodostamme vastaavan osuuden ja saamme, että 1 Pa=10-5 atm. Osittainen tyhjiö vastaa mitä tahansa painetta tarkasteltavassa tilassa, joka on alle 1 atm.
Jos käännämme ilmoitetut luvut paineen kielestä hiukkasten lukumäärän kieleksi, on sanottava, että 1 atm. 1 m3 ilmaa sisältää noin 1025 molekyyliä. Mikä tahansa pieneneminen nimetyssä molekyylipitoisuudessa johtaa osittaisen tyhjiön muodostumiseen.
Tyhjiömittaus
Yleisin pieni tyhjiön mittauslaite on perinteinen barometri, jota voidaan käyttää vain, kun kaasun paine on muutamia kymmeniä prosentteja ilmakehän paineesta.
Korkeiden tyhjiöarvojen mittaamiseen käytetään Wheatstone-sillalla varustettua sähköpiiriä. Käytön idea on mitataanturielementin vastus, joka riippuu ympäröivästä kaasun molekyylipitoisuudesta. Mitä suurempi tämä pitoisuus, sitä enemmän molekyylejä osuu anturielementtiin ja mitä enemmän lämpöä se siirtää niihin, tämä johtaa elementin lämpötilan laskuun, mikä vaikuttaa sen sähkövastukseen. Tämä laite voi mitata tyhjiön paineilla 0,001 atm.
Historiallista taustaa
On mielenkiintoista huomata, että kuuluisat antiikin kreikkalaiset filosofit, kuten Aristoteles, hylkäsivät täysin käsitteen "absoluuttinen tyhjiö". Lisäksi ilmanpaineen olemassaolo tiedettiin vasta 1600-luvun alussa. Vasta uuden aikakauden tultua kokeita alettiin tehdä vedellä ja elohopealla täytetyillä putkilla, mikä osoitti, että maapallon ilmakehä kohdistaa painetta kaikkiin ympäröiviin kappaleisiin. Erityisesti vuonna 1648 Blaise Pascal pystyi mittaamaan painetta käyttämällä elohopeabarometriä 1000 metrin korkeudessa merenpinnan yläpuolella. Mitattu arvo osoittautui paljon pienemmäksi kuin merenpinnan tasolla, joten tiedemies todisti ilmanpaineen olemassaolon.
Ensimmäinen koe, joka osoitti selvästi ilmanpaineen voiman ja korosti myös tyhjiön käsitettä, suoritettiin Saksassa vuonna 1654, joka tunnetaan nykyään Magdeburgin pallokokeena. Vuonna 1654 saksalainen fyysikko Otto von Guericke kykeni yhdistämään tiukasti kaksi metallipuoliskoa, joiden halkaisija oli vain 30 cm, ja pumppaa sitten ilmaa tuloksena olevasta rakenteesta, mikä luoosittainen tyhjiö. Tarina kertoo, että kaksi 8 hevosen joukkuetta, jotka kumpikin vetivät vastakkaisiin suuntiin, eivät pystyneet erottamaan näitä palloja.
Absoluuttinen tyhjiö: onko sitä olemassa?
Toisin sanoen, onko avaruudessa paikkaa, joka ei sisällä ainetta. Nykyaikaiset tekniikat mahdollistavat 10-10 Pa:n tyhjiön ja jopa vähemmän, mutta tämä absoluuttinen paine ei tarkoita, etteikö tarkasteltavassa järjestelmässä olisi ainehiukkasia jäljellä.
Käännytään nyt universumin tyhjimpään tilaan - avoimeen avaruuteen. Mikä on paine avaruuden tyhjiössä? Paine ulkoavaruudessa Maan ympärillä on 10-8 Pa, tällä paineella on noin 2 miljoonaa molekyyliä 1 cm:n tilavuudessa3. Jos puhumme intergalaktisesta avaruudesta, niin tutkijoiden mukaan jopa siinä on vähintään 1 atomi tilavuudessa 1 cm3. Lisäksi universumimme on läpäissyt sähkömagneettisen säteilyn, jonka kantajia ovat fotoneja. Sähkömagneettinen säteily on energiaa, joka voidaan muuntaa vastaavaksi massaksi kuuluisan Einsteinin kaavan mukaan (E=mc2), eli energia on aineen ohella aineen tila.. Tämä johtaa siihen johtopäätökseen, että meille ei tiedetä universumissa absoluuttista tyhjiötä.
