خلاء (Vacuum ، وکیوم) چیست؟

خلأ» (Vacuum) حجمی از فضا به شمار می‌رود که اساسا خالی از ماده است؛ بنابراین فشار گاز در آن بسیار کمتر از فشار استاندارد اتمسفری است. ریشه واژه Vacuum از صفت لاتین «Vacuus» به معنای «خالی» گرفته شده است، اما فضا هرگز نمی‌تواند کاملا خالی باشد.

خلاء (Vacuum ، وکیوم)

خلأ کامل با فشار گازی صفر مطلق، یک مفهوم فلسفی است که هرگز در عمل مشاهده نشده است؛ تئوری کوانتوم نیز پیش‌بینی می‌کند که هیچ حجمی از فضا نمی‌تواند به این شکل کاملا خالی باشد. تعبیر فیزیک‌دانان اغلب از اصطلاح خلأ کمی متفاوت است. آن‌ها نتایج ایده‌آل آزمایش‌های خود را در خلأ کامل مورد بحث قرار می‌دهند که این فضا را به سادگی خلأ یا «فضای آزاد» می‌نامند و از اصطلاح «خلأ جزئی» (partial vacuum) جهت اشاره به خلأ ناقص در عمل استفاده می‌کنند.

کیفیت خلأ با اندازه‌گیری دقیق آن نسبت به خلأ کامل اندازه‌گیری می‌شود. فشار گاز باقی مانده، شاخص اصلی کیفیت خلأ است و حتی در واحد متریک نیز اغلب با واحد تور «torr» اندازه‌گیری می‌شود. فشارهای پایین نشان دهنده کیفیت بالاتر خلأ است، هر چند متغیرهای دیگر نیز باید در نظر گرفته شود.

مکانیک کوانتومی بهترین کیفیت ممکن خلأ را محدود می‌کند. فضای اطراف کره زمین خلأ نوعی طبیعی با کیفیت بالا است و عمدتا از کیفیت بالاتری نسبت به خلائی که به صورت مصنوعی با فنّاوری فعلی ایجاد می‌شود، برخوردار است. برای هزاران سال است که از خلأ مصنوعی با کیفیت پایین برای مکش استفاده شده است.

خلاء (Vacuum ، وکیوم)

با این که خلأ موضوع مشترک بحث‌های فلسفی از زمان‌های یونان باستان بوده، تا قرن هفدهم به صورت تجربی مورد مطالعه قرار نگرفته است. تکنیک‌های تجربی پس از تئوری‌های « اوانجلیستا توریچلی» (Evangelista Torricelli) در باب فشار اتمسفر توسعه داده شد. با معرفی لامپ الکتریکی و لوله خلأ به عنوان یک ابزار صنعتی ارزشمند در قرن بیستم خلأ به یکی از مبانی صنعت  تبدیل شده و از آن زمان تاکنون در دسترس است. با توسعه اخیر فضاپیماها علاقه زیادی به بررسی تأثیر خلأ در سلامت انسان و به طور کلی زندگی وی در پروژه‌های علمی ایجاد دیده می‌شود.

موارد استفاده

ایجاد خلأ در فرآیندها و دستگاه‌های مختلف مفید است. اولین استفاده معمول این پدیده در لامپ‌های رشته‌ای بود که برای محافظت از رشته‌های تنگستن از تخریب شیمیایی استفاده می‌شد. از خاصیت خنثی بودن شیمیایی این شرایط در جوشکاری پرتوهای الکترومغناطیسی، رسوب بخارات شیمیایی، «فرآیند قلم‌زنی» (etching) خشک در تولید نیمه هادی‌ها، تولید پوشش‌های نوری، جوشکاری سرد و بسته‌بندی تحت خلأ استفاده می‌شود.

خلاء (Vacuum ، وکیوم)

کاهش همرفت حرارتی میزان عایق بودن بطری‌های حرارتی و پنجره‌های دو جداره را بهبود می‌بخشد. خلأ بالا فرایند به شکل گاز در آمدن مواد را بهبود می‌بخشد که در خشک کردن سرمایشی، تهیه چسب، تقطیر، متالورژی و «فرآیند پاک‌سازی» (purging) مورد استفاده قرار می‌گیرد. خواص الکتریکی خلأ ساخت میکروسکوپ الکترونی، لوله‌های خلأ و لوله‌های پرتو کاتدی را ممکن می‌سازد. حذف اصطکاک هوا برای ذخیره انرژی چرخ طیار و استفاده از «دستگاه‌های دوار با سرعت بسیار بالا» (ultra centrifuges) مفید است.

لامپ‌های حبابی دارای خلأ جزئی هستند که معمولا با آرگون پر شده و از رشته‌های تنگستن محافظت می‌کند. از نیروی مکش در طیف گسترده‌ای از کاربردها استفاده می‌شود. در موتور بخار «Newcomen» به جای فشار وارده به پیستون از خلأ استفاده می‌شود. در قرن نوزدهم، از خلأ برای ایجاد نیروی کشش روی خط آهن آزمایشی سلطنتی برونل ایسمبراد استفاده شد.

فضای بیرونی

بیشتر فضای بیرون از جو سیاره زمین دارای چگالی و فشار برابر با یک خلأ تقریبا کامل است. به طور مؤثری هیچ اصطکاکی در آن وجود ندارد که اجازه می‌دهد ستاره‌ها، سیارات و سیارک‌ها به صورت آزاد در مسیر گرانشی ایده‌آل حرکت کنند؛ اما حتی در فضای بین ستاره‌ای نیز خلأ، کامل نیست و در آن چند اتم هیدروژن در هر سانتی متر مکعب با فشار ۱۰ فمتو پاسکال (۱۰-۱۶ تور) وجود دارد. خلأ کامل در فضا می‌تواند آن را به محیط جذابی برای فرآیندهای خاص، به ویژه آن‌هایی که به سطوح «بیش از حد تمیز» (ultraclean) نیاز دارند، تبدیل کند؛ البته برای کاربردهای در مقیاس کوچک، بسیار بهتر است که خلأ معادل در زمین ایجاد شود تا این که از گرانش زمین دور شویم (از جو سیاره خارج شویم.)

خلأ در فضا به صورت پلاسمای رقیقی است که با ذرات باردار، میدان‌های الکترومغناطیسی و در برخی جاها با ستاره‌ها پر شده است. ستاره‌ها، سیارات و ماه‌ها جو خود را توسط جاذبه گرانشی حفظ می‌کنند، بنابراین اتمسفر مرز مشخصی ندارد. تراکم گاز اتمسفر با فاصله از جسم کاهش می‌یابد. در مدار پایین زمین (در حدود ۳۰۰ کیلومتری) تراکم جوی حدود ۱۰۰ نانو پاسکال (۱۰-۹ تور) است که هنوز هم برای تولید نیروی کششی روی ماهواره‌ها کافی است. بیشتر ماهواره‌های مصنوعی در این منطقه کار می‌کنند و هر چند روز یک‌ بار برای حفظ مدارشان، باید موتور خود را روشن کنند.

خلاء (Vacuum ، وکیوم)

فراتر از اتمسفر سیاره‌ای، فشار فوتون‌ها و ذرات دیگر ناشی از خورشید قابل توجه است. فضاپیما ممکن است توسط بادهای خورشیدی منحرف شود، اما سیارات بیش از حد عظیم هستند تا تحت تأثیر قرار گیرند. ایده استفاده از این باد توسط یک بادبان خورشیدی برای سفر بین سیاره‌ای توسط دانشمندان پیشنهاد شده است.

تمام جهان قابل مشاهده با تعداد زیادی فوتون که به اصطلاح تابش پس‌زمینه کیهانی نامیده می‌شوند، پر شده است و به احتمال زیاد تعداد قابل توجهی از نوترینوها نیز در مقابل آن‌ها وجود دارد. دمای کنونی این تابش حدود ۳ کلوین یا ۲۷۰ درجه سانتیگراد است.

در سال ۱۹۱۳، کریستین بیرکلند، کاوشگر و فیزیکدان نروژی احتمالاً اولین کسی بود که پیش‌بینی کرد فضا نه تنها شامل پلاسما، بلکه دارای ماده تاریک نیز هست. او گفته است:

به نظر می‌رسد یک نتیجه طبیعی از دیدگاه‌های ما این است که فرض کنیم کل فضا با الکترون‌ها و یون‌های الکتریکی پر شده است. ما تصور می‌کنیم که هر سیستم ستاره‌ای در تحولات خود، ذرات الکتریکی را به فضا پرتاب می‌کند. به نظر می‌رسد منطقی نیست که فکر کنیم بخش مهمی از توده‌های مادی در جهان، منظومه شمسی و یا سحابی باشد، بلکه بیشتر آن در فضای خالی است.

اثرات بر روی انسان و حیوانات

خلأ عمدتا یک خفه کننده است. انسان‌ها در معرض خلأ پس از چند ثانیه آگاهی خود را از دست می‌دهند و در عرض چند دقیقه می‌میرند، اما علائم آن تقریبا به شکلی نیست که به صورت تصویری در فرهنگ‌ عامه نشان داده می‌شود. رابرت بویل (۱۶۲۷-۱۶۹۱) اولین کسی بود که نشان داد خلأ روی حیوانات کوچک کشنده است. در این حالت خون و دیگر مایعات بدن به جوش می‌آیند (اصطلاح پزشکی برای این حالت به‌عنوان ebullism» شناخته می‌شود). انتظار می‌رود که فشار بخار، بدن را به دو برابر اندازه طبیعی خود باد کند و گردش خون را کند سازد، اما بافت‌ها برای جلوگیری از پارگی به اندازه کافی الاستیک و متخلخل هستند. فشار ناشی از انسداد عروق خونی باعث کندی ebullism می‌شود، بنابراین مقداری از خون به صورت مایع باقی می‌ماند.

تورم و ebullism را می‌توان با استفاده از یک لباس پرواز کاهش داد. فضانوردان شاتل فضایی یک لباس الاستیکی مناسب به نام «لباس حفاظت ارتفاعی خدمه» (Crew Altitude Protection Suit) یا به اختصار (CAPS) می‌پوشند که مانع ایجاد مشکل در خلأ ۱۵ تور (۲ کیلو پاسکال) می‌شود. با این ‌حال، حتی اگر از ebullism جلوگیری شود، تبخیر ساده می‌تواند باعث خم شدن و آمبولیسم گازی شود. تبخیر سریع سرمایشی موجب یخ‌زدگی پوست، به ویژه درون دهان می‌شود که البته خطر جانی ندارد.

خلاء (Vacuum ، وکیوم)

آزمایش‌های حیوانی نشان می‌دهد که بازیابی سریع به طور معمول برای مواجهه در زمان کمتر از ۹۰ ثانیه ممکن است؛ در حالی که مواجهه کامل بدن با این پدیده در زمان‌های طولانی‌تر کشنده به نظر می‌رسد. داده‌های محدودی از حوادث انسانی در این حالت وجود دارد که با داده‌های به دست آمده از آزمایش روی حیوانات سازگار است. اگر تنفس اختلال نداشته باشد، ممکن است اندام‌ها برای زمان طولانی‌تری بتوانند کمبود فشار هوا را تحمل کنند. فشار‌زدایی سریع می‌تواند بسیار خطرناک‌تر از قرار گرفتن در معرض خلأ باشد. اگر قربانی در طول فشار زدایی نفس خود را حفظ کند، ساختارهای ظریف داخلی ریه‌ها ممکن است پاره و باعث مرگ شوند. پرده‌های گوش نیز احتمالا با فشار زدایی سریع پاره شود، بافت‌های نرم بدن ممکن است خونریزی کنند و استرس باعث افزایش مصرف اکسیژن می‌شود که در نهایت منجر به خفگی می‌گردد.

در طی جنگ جهانی دوم، رژیم نازی زندانیان اردوگاه کار اجباری را با قرار دادن آن‌ها در شرایط آزمایشگاهی با ارتفاع بالا شکنجه می‌داد. بعضی از میکروارگانیسم‌های سخت‌جان مانند «Tardigrade» می‌توانند مدت زمان زیادی در خلأ زنده بمانند.

سیر مطالعات تاریخی

از لحاظ تاریخی، بر سر وجود خلأ همواره اختلاف زیادی وجود داشته است. فیلسوفان یونان باستانی تمایل نداشتند وجود مفهومی به نام خلأ را پذیرفته و از خود بپرسند: «چطور می‌توان از نیستی چیزی را به دست آورد؟» افلاطون (۳۴۷-۴۲۵ قبل از میلاد مسیح) ایده خلأ را غیر قابل تصور می‌دانست. او معتقد بود که همه چیزهای فیزیکی نمونه‌ای ایده آل از مدل افلاطونی هستند و نمی‌توان شکل (ایده آلی) را برای خلأ تصور کرد. به همین ترتیب، ارسطو (۳۲۲-۳۸۴ قبل از میلاد مسیح) ایجاد خلأ را غیر ممکن می‌دانست هیچ نمی‌تواند چیزی باشد.

بعدها فیلسوفان یونان فکر کردند که خلأ در داخل کیهان وجود ندارد اما می‌تواند در خارج از آن وجود داشته باشد. فیلسوف اسلامی فارابی (۸۵۰-۹۷۰ قبل از میلاد مسیح) به نظر می‌رسد اولین آزمایش‌های ثبت شده در مورد وجود خلأ را انجام داده است که با استفاده از آن پمپ‌های «plungers» دستی را در آب مورد تحقیق قرار داد. در قرون وسطی، برخی از مسیحیان ایده خلأ را به عنوان ایده‌ای غیر اخلاقی یا حتی جاودانه قلمداد کردند. فقدان هر چیزی، فقدان خدا تصور می‌شد و به قبل از داستان خلقت در کتاب «پیدایش»، باز می‌گشت.

خلاء (Vacuum ، وکیوم)

تئوری‌های تجربی قرون وسطایی ایده وجود خلأ را به این صورت در نظر گرفته است که آیا خلأ می‌تواند برای یک لحظه به وجود بیاید؛ برای نمونه بین دو صفحه تخت وقتی که آن‌ها به سرعت از هم جدا می‌شوند،  آیا هوا با سرعت کافی بین دو صفحه پراکنده می‌شود یا در حد یک لجظه بخشی از فضا خالی می‌ماند؛ طبق گفته‌های والتر برلی، یک عامل «ماورائی» مانع از ایجاد خلأ می‌شود، به این معنا که طبیعت از وجود خلأ منزجر است. این دیدگاه با حکمی  در سال ۱۲۷۷ در پاریس توسط اسقف اتیان بیشاپ محکوم شد، زیرا هیچ‌گونه محدودیتی برای قدرت خدا نمی‌توان متصور بود که نتیجه‌گیری می‌کرد که اگر خدا بخواهد، می‌تواند خلأ ایجاد کند.

مخالفت با وجود ایده خلأ در طبیعت همچنان تا دوران انقلاب علمی ادامه داشت و دانشمندانی مانند پائولو کاساتی با وجود چنین پدیده‌ای مخالف بودند. پس از کارهای گالیله، اوانجلیستا توریچلی در سال ۱۶۴۳ ادعا کرد که در بالای یک فشارسنج جیوه‌ای خلأ وجود دارد. توریچلی توانست با استفاده از آزمایش لوله جیوه، خلأ نسبی بسازد که به خلأ توریچلی معروف است.

برای تکرار این آزمایش معروف بایستی یک لوله‌ی خالی شیشه‌ای که یک انتهای آن محکم است و اجازه ی ورود هوا به آن داده نمی شود را با جیوه پر کنید. اندکی در ظرف شیشه ای دیگری جیوه بریزید. انتهای دیگر لوله‌ای که در آن جیوه ریخته‌اید، با انگشت بگیرید، آن را وارونه کنید و در ظرف محتوی جیوه فرو کنید. به تفاوت حالتی که هوا در محفظه وجود دارد و وقتی که هوای محفظه مکیده می شود، دقت کنید. حال، انگشت خود را از انتهای لوله بردارید. جیوه از داخل لوله به درون ظرف می ریزد تا آن جا که وزن ستون جیوه در لوله دقیقا با فشار هوای بیرون یکی شود.

خلاء (Vacuum ، وکیوم)

در سال ۱۶۵۴، «اتو فون گوریک» (Otto von Guericke) آزمایش مشهور ماگدبورگ را انجام داد. وی نشان داد که اسب‌ها نمی‌توانند دو نیم‌کره که هوای بین آن تخلیه شده را از هم جدا کنند. مطالعه در باب خلأ پس از آن تا سال ۱۸۵۵ هنگامی که هنریچ گیسلر پمپ جابجایی جیوه را اختراع کرد و به رکورد خلأ حدود ۱۰ پاسکال (۰٫۱ تور) رسید، به طول انجامید. خواص الکتریکی متنوعی در این سطح خلأ قابل مشاهده است که منجر به توسعه لوله خلأ شد.

خلاء (Vacuum ، وکیوم)

در قرن هفدهم، نظریه‌های مربوط به طبیعت نور، ایده یک فضای حجیم را به وجود آورد که می‌توانست محیطی رسانا برای انتقال امواج نوری باشد (ایساک نیوتن از این ایده برای توضیح گرمای تابشی و شکست نور استفاده کرد). این ایده در قرن نوزدهم به صورت «محیط درخشان» (luminiferous aether) یا «اتر» تکامل یافت؛ با این حال این ایده شناخته شده نقایص قابل ملاحظه‌ای داشت. به ویژه اینکه اگر زمین از طریق یک فضای مادی در حال حرکت باشد، این فضا باید هم بسیار رقیق (چرا که زمین در مدار خود حرکت آهسته‌ای ندارد) و هم بسیار صلب باشد (زیرا ارتعاشات خیلی سریع منتشر می‌شوند). فیزیکدانان در ابتدا فرض می‌کردند که امواج نور از طریق این فضا منتقل می‌شود و این اِتِر بوده که فضای بین ستاره‌ای را پر کرده است . بر اساس این نظریه، امواج الکترومغناطیس یا نور، با سرعت ثابتی در فضا گسیل می‌شوند و این سرعت ثابت را نسبت به یک ماده نامرئی به نام اتر که در سراسر گیتی و حتی در فضای تهی نیز وجود دارد می‌سنجیدند.

مقاله سال ۱۸۹۱ به قلم ویلیام کروکس بیان می‌کند:

از [آزاد شدن] گازهای جمع شده در خلأ فضایی به وجود آمده است.

حتی در سال ۱۹۱۲، هنری پیکرینگ، ستاره‌شناس، اظهار داشت:

در حالی که محیط جذب بین ستاره‌ای ممکن است به سادگی، اِتِر باشد، [آن جا] مشخصات یک گاز را دارا است و مولکول های گازی آزاد قطعا در آن وجود دارند.

در سال ۱۸۸۷، آزمایش مایکلسون – مورلی، با استفاده از یک تداخل‌سنج برای تشخیص تغییر سرعت نور ناشی از حرکت زمین با توجه به اتر، یک نتیجه ناخوشایند مشهور در پی داشت. این نتیجه نشان می‌دهد در واقع هیچ محیط استاتیک و فراگیری در فضا وجود ندارد و زمین مانند این که از طریق باد حرکت داشته باشد، روی آن حرکت می‌کند. این شرایط در حالی است که هیچ محیط اتری در فضای پیرامون وجود ندارد و به چنین موجودیتی نیز برای انتشار نور نیازی نیست. همچنین فضای بین ستارگان به طور کامل خالی نیست. علاوه بر ذرات مختلفی که تابش کیهانی را تشکیل می‌دهند، یک پس‌زمینه کیهانی از تابش فوتون‌ها (نور) وجود دارد. از این دست می‌توان به پس‌زمینه حرارتی با دمای حدود ۲٫۷ کلوین که به عنوان یک اثر باقی مانده از به اصطلاح «بیگ بنگ» (Big Bang) دیده می‌شود. هیچ یک از این بیانات نتایج آزمایش مایکلسون-مورلی را به میزان قابل توجهی تحت تأثیر قرار نمی‌دهد.

خلاء (Vacuum ، وکیوم)

آلبرت انیشتین (۱۸۷۹-۱۹۵۵) استدلال کرد که اشیاء فیزیکی در فضا قرار نمی‌گیرند، بلکه دارای فضای مکانی هستند. به این ترتیب، مفهوم فضای خالی معنای خود را از دست می‌دهد. در عوض، فضا بر اساس روابط بین اشیاء محلی یک مفهوم انتزاعی است. با این وجود، نظریه کلی نسبیت، میدان مغناطیسی فراگیر را پذیرفته است که در کلمات خود انیشتین به عنوان یک نوع اتر بیان شده است. این خواص در یک با خواصی از یک مکان دیگر متفاوت است. فقط باید مراقب باشیم که خواص ماده‌ای مانند سرعت و غیره را به آن نسبت ندهیم.

پل دیراک در سال ۱۹۳۰ مدل خلأ را به عنوان یک دریای بی‌نهایت ذرات دارای انرژی منفی پیشنهاد داد که «دریای دیراک» (Dirac sea) نامیده می‌شود. این تئوری به تصحیح معادله دیراک که وی قبلاٌ پیش‌بینی کرده بود، پرداخت و وجود پوزیترون را به صورت موفقیت‌آمیز پیش‌بینی کرد که دو سال بعد در سال ۱۹۳۲ کشف شد. با وجود این موفقیت اولیه، این ایده به سرعت به نفع نظریه ظریف‌تر میدان کوانتومی رد شد.

توسعه مکانیک کوانتومی تفسیر مدرن خلأ را با توجه به نظریه عدم قطعیت پیچیده کرده است. نیلز بور (۱۸۶۵-۱۹۶۲) و اصل عدم اطمینان ورنر هاسنبرگ و تفسیر کپنهاگ که در سال ۱۹۲۷ فرموله شده است، پیش‌بینی یک عدم قطعیت اساسی در موقعیت هر ذره را دربر دارد که بر خلاف میدان گرانشی، به فضای بین ذرات شک می‌کند. در اواخر قرن بیستم، این اصل نیز به عنوان یک عدم قطعیت اساسی در تعداد ذرات در یک ناحیه فضایی پیش‌بینی شده است، بدین معنی که نمی‌توان کاملا مطمئن بود که یک منطقه خاص از فضا حاوی هیچ ذره‌ای نیست. به طرز عجیب و غریبی، شاید به صورت شانسی، نظر افلاطون درست است.

تعریف کوانتومی-مکانیکی

حتی یک خلأ ایده آل نیز، در عمل (حتی اگر خالی از هر چیزی باشد) باز هم خالی نخواهد ماند. یکی از دلایل این ادعا این است که دیواره‌های یک اتاق خلأ، نور را در قالب تشعشعات سیاه و سفید منتشر می‌کند؛ اگر دیوار در دمای هزاران درجه باشد نور مرئی و اگر خنک‌تر باشد، نور مادون قرمز از آن منتشر می‌شود. اگر این سوپ حاوی (مجموعه) فوتون‌ها در تعادل ترمودینامیکی با دیواره‌ها باشند، می‌توان گفت که یک دمای خاص و همچنین یک فشار دارند. یکی دیگر از دلایلی که خلأ کامل غیرممکن است، اصل عدم اطمینان هایزنبرگ است که بیان می‌کند هیچ ذره‌ای نمی‌تواند جای دقیقی داشته باشد. هر اتم به عنوان یک تابع احتمالی فضایی وجود دارد که دارای مقدار غیر صفر معینی در همه جای یک حجم مورد نظر است. پس حتی فضای بین مولکول‌ها نیز خلأ کامل نیست.

اساسا، مکانیک کوانتومی پیش‌بینی می‌کند که انرژی خلأ هرگز نمی‌تواند دقیقا صفر باشد. پایین‌ترین حالت ممکن این انرژی، انرژی نقطه صفر نامیده می‌شود و شامل یک توده از ذرات مجازی است که وجود دارند. این انرژی‌ها نوسانات خلأ نامیده می‌شوند. در حالی که اکثر دانشمندان موافقند که این بخش از علم نکات قابل توجهی از فیزیک ذرات را به نمایش در می‌آورد، برای فهم موضوع باید فهم بهتر و عمیق‌تری نسبت به دانش کنونی دست یافت . نوسانات خلأ در صورتی که ماهیت آن در مقیاس ماکروسکوپی مشاهده شود، ممکن است به مفهوم کیهانی شناخته شده در نظریه گرانش مربوط باشد. بهترین شواهد برای نوسانات خلأ، اثر کازیمیر «Casimir effect» و تغییر لام «Lamb shift» است.

quantum-mechanical

در نظریه میدان‌های کوانتومی، اثر کاسیمیر نیروهای فیزیکی برآمده از یک میدان کوانتیزه شده هستند.مثال متداول در این زمینه دو صفحه رسانای موازی بدون بار در خلأ است که در فاصله چند نانومتری از هم واقع شده‌اند. در فیزیک کلاسیک، نبود میدان خارجی به معنای نبودن میدان میان رساناها و از این رو نبود هرگونه کشش و نیرو بین آن‌ها است. وقتی میدان با استفاده از الکترودینامیک کوانتومی و خلأ کوانتوم التکرودینامیکی مطالعه می‌گردد، مشاهده می‌شود که صفحات فوتون‌های مجازی مابین را تحت تاثیر قرار داده و میدان ایجاد می‌کنند؛ این میدان یک نیروی خالص ایجاد می‌کند که بسته به چینش صفحات آنها را جذب یا دفع می‌نماید.

در نظریه میدان کوانتومی و تئوری «ریسمان» (string)، واژه‌ی خلأ برای نشان دادن حالت دارای کمترین انرژی ممکن استفاده می‌شود. در نظریه‌های کوانتومی آزاد (غیر تعاملی)، این حالت مشابه با حالت یک نوسانگر هارمونیک کوانتومی است. اگر این تئوری به واسطه کوانتیزه شدن تئوری کلاسیک به دست آید، هر نقطه ثابت انرژی در پیکربندی فضایی منجر به یک خلأ واحد می‌گردد. اعتقاد بر این است که نظریه ریسمان مشابه نظریه میدان کوانتومی، اما دارای تعداد زیادی خلأ، از دیدگاه به اصطلاح آنتروپیک است.

پمپاژ یا تلمبه کردن

مایع نمی‌تواند مکیده شود، بنابراین از لحاظ فنی، امکان ایجاد مکش توسط خلأ وجود ندارد. مکش، حرکت مایعات به یک خلأ تحت اثر فشار خارجی بالاتر است، اما خلأ باید ابتدا ایجاد شود. ساده‌ترین راه ایجاد خلأ مصنوعی انبساط حجم یک ظرف است. به عنوان مثال، عضله دیافراگم حفره قفسه سینه را گسترش می‌دهد که موجب افزایش حجم ریه‌ها می‌شود. این گسترش، فشار را کاهش می‌دهد و یک خلأ جزئی ایجاد می‌کند که به سرعت با هوای تحت فشار اتمسفریک پر می‌شود.

خلاء (Vacuum ، وکیوم)

پمپ آب دستی توسط ایجاد خلأ و آبی که برای پر شدن جای خالی می‌آید، از یک چاه آب می‌کشد. به یک معنا خلأ را برای تخلیه چاه اعمال می کند. اگر چه میزان نشت بالای ناشی از گرد و خاک از ایجاد خلأ با کیفیت بالا در یک برهه زمانی جلوگیری می کند.

خلاء (Vacuum ، وکیوم)

برای ادامه تخلیه یک محفظه به طور نامحدود بدون نیاز به انبساط بی‌نهایت، محفظه خلأ را می‌توان بارها منقبض، تخلیه و دوباره منبسط کرد. این اصل کارکرد پمپ‌های جابجایی مثبت، مانند پمپ آب دستی است. درون پمپ، یک مکانیسم، محفظه کوچک بسته‌ای را منبسط می کند تا خلأ کامل ایجاد شود. به دلیل اختلاف فشار، مایعات از محفظه (چاه، در مثال ما)، تحت فشار به داخل حفره کوچک پمپ وارد می‌شود. حفره پمپ سپس از محفظه جدا می‌شود، به سمت اتمسفر باز می‌شود و دوباره به اندازه کوچک اولیه فشرده می‌شود.

بسیاری از ویژگی‌های پمپ‌های جابجایی مثبت توسعه یافته است و بسیاری دیگر از پمپ‌ها به اصول اساسی دیگری متکی هستند. پمپ‌های انتقال مومنتومی که دارای برخی شباهت‌ها به پمپ‌های دینامیک مورد استفاده در فشار بالا هستند می‌توانند خلأهای بسیار با کیفیت بالاتر از پمپ‌های جابجایی مثبت ایجاد کنند. پمپ‌های جذبی می‌توانند گازها را در فاز جامد یا جذب شده، اغلب بدون قطعات متحرک، بدون «نشت‌بند» (seal) و بدون ارتعاش جذب کنند. هیچ کدام از این پمپ‌ها عمومی نیستند و هر نوع از آن دارای محدودیت‌های عملکردی مهمی است. همه آنها در پمپاژ گازهای با وزن مولکولی کم، به خصوص هیدروژن، هلیوم و نئون، مشکل دارند.

پایین‌ترین فشاری که می‌توان در یک سیستم به دست آورد، وابسته به چیزهای دیگر غیر از ماهیت پمپ‌ها است. پمپ‌های چندگانه ممکن است به صورت سری، که مرحله‌ای نیز نامیده می‌شود، برای دستیابی به خلأهای بالاتر، به هم متصل شوند. انتخاب نشت‌بند، هندسه محفظه، مواد و روش‌های پمپ کردن همگی تأثیر گذارند. به طور خلاصه، این عوامل تکنیک‌های خلأ نامیده می‌شود. گاهی اوقات، فشار نهایی تنها به ویژگی‌های سیال مربوط نیست. سیستم‌های پمپاژ در آلودگی‌های نفتی، ارتعاشات، پمپاژ ترجیحی گازهای گوناگون، سرعت پمپاژ، چرخه کار متناوب، قابلیت اطمینان یا تحمل نرخ‌های نشت بالا، متفاوت هستند.

در سیستم‌های خلأ فوق‌العاده، مسیرهای نشتی خاص باید در نظر گرفته شوند و باید توجه داشت برخی از روغن‌ها و گریس‌ها در خلأهای شدید به جوش می‌آیند. تخلخل دیواره‌های محفظه فلزی نیز باید در نظر گرفته شود. کمترین فشار به دست آمده در آزمایشگاه در حدود ۱۳-۱۰ تور است.

گازی شدن

تبخیر و یا تصعید در شرایط خلأ را «گازی شدن» (Outgassing) می‌نامند. تمام مواد جامد و مایع فشار بخار پایینی دارند و  وقتی فشار محیط اطرافشان به سطح زیر این فشار بخار کاهش می‌یابد ممکن است بخار یا تصعید شوند. در سیستم‌های ساخته شده توسط انسان، به شکل گاز در آمدن اثر مشابهی با یک نشتی دارد و می‌تواند خلأ قابل دستیابی را محدود کند. گازهای تخلیه شده ممکن است روی سطوح خنک نزدیک میعان شوند و در صورتی که دستگاه‌های نوری را مات کند یا با مواد دیگر واکنش دهد می‌تواند مشکل‌ساز باشد. این موضوع نگرانی بزرگی برای مأموریت‌های فضایی است؛ جایی که یک تلسکوپ با عدسی تیره و تار یا سلول خورشیدی می‌تواند یک مأموریت گران‌قیمت را خراب کند.

شایع‌ترین محصول گازی شدن در سیستم‌های خلأ ساخته شده توسط انسان، آب جذب شده توسط محفظه مواد است. می‌توان این پدیده را توسط خشک کردن یا گرم کردن محفظه و حذف مواد جاذب کاهش داد. در صورتی که از گاز بالستیک استفاده نشود، آب به شکل گاز در آمده می‌تواند در روغن پمپ‌های دوار تجمع یابد و سرعت خالص آن را به شدت کاهش دهد. سیستم‌های خلأ کامل باید تمیز و عاری از مواد آلی باشد تا گازی شدن را به حداقل برساند.

سیستم خلأ فوق‌العاده کامل را معمولا گرم می‌کنند، ترجیحا تحت خلأ، تا به طور موقت فشار بخار تمام موادی که قابلیت به شکل گاز در آمدن در سیستم را دارند، افزایش یابد. هنگامی که بخش عمده‌ای از موادی را که قابلیت گازی شدن دارند، گرم شده و تخلیه می‌شود، سیستم ممکن است برای دستیابی به فشار بخار پایین‌تر و به حداقل رساندن گاز خروجی باقی مانده در طول عملیات واقعی خنک شود. بعضی از سیستم‌ها توسط نیتروژن مایع به خوبی تحت دمای اتاق خنک می‌شوند تا گاز خروجی باقی مانده را از بین ببرند و به طور هم‌زمان سیستم را فریب دهند.

کیفیت

کیفیت خلأ با مقدار مواد موجود در سیستم نشان داده می‌شود. خلأ عمدتا با فشار مطلق آن اندازه‌گیری می‌گردد، اما مشخصات کامل آن نیاز به پارامترهای بیشتری مانند درجه حرارت و ترکیب شیمیایی دارد. یکی از مهم‌ترین پارامترها، «میانگین مسیر آزاد» (mean free path) یا به اختصار «MFP» گازهای باقی مانده است که نشان دهنده میانگین فاصله بین مولکول‌ها در فاصله برخورد با یکدیگر در نظر گرفته می‌شود. همان‌طور که تراکم گاز کاهش می‌یابد، MFP افزایش می‌یابد. البته باید بدانید زمانی که MFP طولانی‌تر از طول محفظه، پمپ، فضاپیما یا سایر اشیا شود، فرضیه‌های پایداری مکانیک سیالات قابل استفاده نیست. این حالت خلأ، خلأ کامل نامیده و مطالعه جریان‌های مایع در این رژیم، دینامیک ذره‌ای گاز نامیده می‌شود. MFP هوا در فشار اتمسفریم بسیار کوتاه است، ۷۰ نانومتر، اما در فشار ۱۰۰ میلی پاسکال MFP در دمای اتاق تقریبا معادل ۱۰۰ میلی‌متر است که برای استفاده‌های روزمره مانند لوله‌های خلأ کاربرد دارد.

اعماق فضا بسیار خالی‌تر از هر خلأ مصنوعی است که می‌تواند در یک آزمایشگاه ایجاد شود، اگر چه بسیاری از آزمایشگاه‌ها می‌توانند خلأ کمتری نسبت به مدار زمین داشته باشند. در فضای بین سیاره‌ای و بین ستاره‌ای، فشار گاز ایزوتروپیک در مقایسه با فشار خورشیدی، بادهای خورشیدی و فشار دینامیک بسیار ناچیز است، بنابراین تفسیر فشار دشوار به نظر می‌رسد. فیزیک‌دانان حوزه فضا ترجیح می‌دهند از چگالی تعدادی برای توصیف این محیط‌ها، در واحد ذرات در سانتی متر مکعب استفاده کنند. متوسط تراکم گاز بین ستاره‌ای حدود یک اتم در سانتیمتر مکعب است.

خلاء (Vacuum ، وکیوم)

با توجه به فنّاوری مورد نیاز برای دستیابی به این شرایط یا اندازه‌گیری آن، کیفیت خلأ به چند محدوده تقسیم می‌شود. این محدوده‌ها دارای تعاریف توافق شده‌ای در جهان نیستند (از این رو شکاف‌هایی در جدول زیر وجود دارد)، اما یک توزیع معمول به شرح زیر است:

فشار اتمسفریک       ۷۶۰ Torr               ۱۰۱ kPa

خلأ کم     ۷۶۰ تا ۲۵ Torr     ۱۰۰ تا ۳ kPa

خلأ متوسط              ۲۵ تا ۱ × ۱۰ Torr               ۳ kPa تا ۱۰۰ mPa

خلأ بالا    ۱×۱۰-۳ تا ۱×۱۰-۹ Torr    ۱۰۰ mPa تا ۱ µPa

خلأ بسیار بالا          ۱ × ۱۰-۹ تا ۱ ×۱۰-۱۲ Torr              ۱۰۰ nPa تا ۱۰۰ pPa

خلأ فوق‌العاده بالا    < 1 ×10-12 Torr                < 100 pPa

اعماق فضا              ۱×۱۰-۶ تا <3×10-17 Torr              100 µPa تا < 3fPa

خلأ کامل ۰ Torr    ۰ Pa

فشار اتمسفر متغیر است، اما استاندارد آن در کنار دریای آزاد معادل ۱۰۱٫۳۲۵ کیلو پاسکال (۷۶۰ Torr) در نظر گرفته می‌شود.

«خلأ کم» (Low vacuum)، همچنین به نام خلأ خشن یا خلأ زمخت شناخته می‌شود، این میزان خلأ می‌تواند با تجهیزات اولیه‌ای مانند جارو برقی و یک مانومتر ستون مایع به دست آورده و اندازه‌گیری شود.

«خلأ متوسط» (Medium vacuum) خلائی است که می‌توان با یک پمپ به آن رسید، اما برای اندازه‌گیری آن از یک فشار سنج مایع یا مکانیکی نمی‌توان استفاده کرد. این خلأ را می‌توان با سنجه «McLeod gauge»، گیج‌های حرارتی و یا خازنی اندازه‌گیری نمود.

در «خلأ بالا» (high vacuum) میزان MFP گازهای باقی مانده طولانی‌تر از اندازه محفظه یا جسم تحت آزمایش است. ایجاد خلأ بالا معمولا نیاز به پمپاژ چندمرحله‌ای و اندازه‌گیری آن نیاز به سنجه‌های یونی دارد. برخی از متون بین خلأ بالا و «خلأ بسیار زیاد» (very high vacuum) تفاوت قائل هستند.

«خلأ فوق‌العاده بالا« (Ultra high vacuum) نیازمند گرم کردن محفظه برای حذف گازهای قابل ‌ردیابی و سایر روش‌های ویژه است.

اعماق فضا بسیار خالی‌تر از هر خلأ مصنوعی است که می‌توانیم ایجاد کنیم.

خلأ کامل حالت ایده آل است که نمی‌توان آن را در یک آزمایشگاه و حتی در فضای بیرون به دست آورد.

در این بخش مثال‌هایی برای درک بهتر فشار مشاهده می‌کنید.

جارو برقی              ۸۰ kPa  تقریباً       (۶۰۰ Torr)

پمپ خلأ حلقه مایع  ۳٫۲ kPa تقریباً       (۲۴ Torr)

خشک کردن سرمایشی            ۱۰۰ تا ۱۰ Pa        (۱ تا ۰٫۱ Torr)

پمپ دوار پره‌ای      ۱۰۰ Pa تا ۱۰۰ mPa           (۱ Torr تا ۱۰−۳ Torr)

لامپ حبابی رشته‌ای               ۱۰ تا ۱ Pa             (۰٫۱ تا ۰٫۰۱ Torr)

بطری فلاسک         ۱ تا ۰٫۱ Pa            (۱۰−۲ تا ۱۰−۳ Torr)

فضای نزدیک به زمین           ۱۰۰ µPa تقریباً      (۱۰−۶ Torr)

محفظه Cryopumped MBE               ۱۰۰ nPa تا ۱ nPa               (۱۰−۹ Torr تا ۱۰−۱۱ Torr)

فشار روی سطح ماه                ۱ fPa تقریباً            (۱۰−۱۱ Torr)

فضای بین ستاره‌ای ۱ fPa تقریباً            (۱۰−۱۷ Torr)

اندازه‌گیری

خلأ با واحد فشار اندازه‌گیری می‌شود. واحد فشار در SI، پاسکال با به اختصار (Pa) است، اما خلأ معمولا در واحد تور اندازه‌گیری می‌گردد. یک torr برابر با جابجایی یک میلی‌متر جیوه «mmHg» در یک فشارسنج و ۱۳۳٫۳۲۲۳۶۸۴ پاسکال بالاتر از صفر مطلق است. خلأ نیز اغلب با استفاده از میکرومتر جیوه‌ای، مقیاس فشار سنجی، یا به عنوان یک درصد فشار اتمسفر در واحد بار یا اتمسفر اندازه‌گیری می‌شود. خلأ کم اغلب در واحد اینچ جیوه «inHg» زیر اتمسفر بیان می‌گردد. «زیر اتمسفر» به این معنی است که فشار مطلق برابر با فشار جو (۲۹٫۹۲ inHg) منهای فشار خلأ در واحد اینچ جیوه است؛ بنابراین خلأ ۲۶ inHg برابر با فشار مطلق (۲۹٫۹۲-۲۶) یا ۴ inHg به دست می‌آید.

بسته به اینکه چه مقدار از خلأ مورد نیاز است، بسیاری از دستگاه‌ها برای اندازه‌گیری فشار خلأ استفاده می‌شوند. سنجه‌های هیدرواستاتیک (مانند مانومتر ستون جیوه) شامل یک ستون عمودی مایع در لوله‌ای است که انتهای آن تحت فشارهای مختلف قرار می‌گیرند. ارتفاع مایع درون ستون تا زمانی که وزن آن در تعادل با دیفرانسیل فشار بین دو انتهای لوله باشد، افزایش یا کاهش خواهد داشت. ساده ترین طرح یک لوله U-شکل بسته است که یک طرف آن به منطقه مورد اندازه‌گیری متصل است. هر سیال می‌تواند برای اندازه‌گیزی فشار  مورد استفاده قرار گیرد، اما جیوه به دلیل تراکم بالا و فشار بخار کم ترجیح داده می‌شود.

خلاء (Vacuum ، وکیوم)

اندازه‌گیری‌های ساده هیدرواستاتیک می‌توانند فشار را در محدوده ۱ تور (۱۰۰ پاسکال) تا بالاتر از فشار اتمسفر اندازه‌گیری کنند. یک تفاوت مهم در سنجه McLeod این است که یک حجم مشخص از خلأ را جداسازی کرده و آن را با ضریب مشخصی از تغییرات ارتفاع ستون مایع فشرده‌سازی می کند. سنجه McLeod می‌تواند خلأ را تا ۶-۱۰ تور (۰٫۱ میلی پاسکال) اندازه‌گیری کند. این مقدار کمترین میزان ممکن اندازه‌گیری مستقیم فشار است که با فنّاوری فعلی امکان‌پذیر به نظر می‌رسد. دیگر اندازه‌گیرهای خلأ تنها به طور غیر مستقیم با اندازه‌گیری خواص کنترل شده تحت فشار می‌توانند فشارهای پایین را اندازه‌گیری کنند. این اندازه‌گیرهای غیر مستقیم از طریق اندازه‌گیری مستقیم، به طور معمول توسط یک سنجه McLeod، به واحدهای SI کالیبراسیون می‌شوند.

اندازه‌گیرهای مکانیکی یا الاستیک بر اساس «لوله بوردون» (bourdon tube)، دیافراگم یا کپسول که معمولا از فلز ساخته شده است کار می‌کنند. این سیستم در پاسخ به فشار منطقه مورد نظر تغییر شکل می‌دهد. لوله بوردون از یک لوله فلزی خمیده بیضوی تشکیل شده است که با افزایش فشار سیال تمایل به باز شدن دارد و با کاهش فشار انحنای بیشتری می‌یابد. تغییرات انحنا از طریق یک سیستم چرخ دنده‌ای به عقربه منتقل می‌شود. جهت و مقدار حرکت عقربه به جهت و مقدار تغییر انحنای لوله بستگی دارد.

خلاء (Vacuum ، وکیوم)

یک مورد متفاوت، «مانومتر خازنی» (capacitance manometer) است که در آن دیافراگم، بخشی از یک خازن را تشکیل می‌دهد. تغییر فشار منجر به خم شدن دیافراگم می‌شود که در نهایت باعث تغییر ظرفیت خازن می‌گردد.

خلاء (Vacuum ، وکیوم)

سنجه‌های هدایت حرارتی بر این واقعیت استوار است که توانایی یک گاز برای هدایت گرما با کاهش فشار آن کاهش می‌یابد. در این نوع سنجه، یک رشته سیم از طریق عبور جریان در آن گرم می‌گردد. برای اندازه‌گیری دمای رشته از یک ترموکوپل یا «آشکارساز دمای مقاومت» (resistance temperature detector) با به اختصار «RTD» استفاده می‌شود. این درجه حرارت وابسته به هدایت حرارتی و نرخی از گرما است که رشته‌ها به محیط اطراف می‌دهند. یک نوع رایج اندازه‌گیری استفاده از سنجه «Pirani» است که از یک رشته پلاتین هم به عنوان عنصر گرم شونده و هم به عنوان RTD استفاده می کند. این سنسورهابه ترکیب شیمیایی گازهایی که اندازه‌گیری می‌شوند، حساس هستند.

سنجه‌های یونی در خلأهای فوق‌العاده استفاده می‌شوند و در دو نوع موجود هستند: کاتد گرم و کاتد سرد. در نسخه کاتد گرم یک رشته گرمایی الکتریکی یک پرتو الکترونی تولید می‌کند. الکترون‌ها درون اندازه‌گیر حرکت کرده و مولکول های گاز اطراف خود را یونیزه می‌کنند. یون‌های حاصله در الکترود منفی جمع می‌شوند. جریان به تعداد یون‌ها وابسته است، که خود به فشار اندازه‌گیر بستگی دارد. اصل علمی پشت نسخه کاتد سرد نیز به همین شیوه است؛ به جز اینکه الکترون‌ها در فرایند تخلیه الکتریکی با ولتاژ بالا تولید می‌شوند. کالیبراسیون سنجه‌های یونی بسیار حساس به هندسه ساخت، ترکیب شیمیایی گاز اندازه‌گیری، خوردگی و رسوبات سطحی است. کالیبراسیون آنها می‌تواند با فعال شدن در فشار اتمسفر یا خلأ کم، نامعتبر باشد. ترکیب گازها در خلأهای بالا معمولا غیر قابل پیش‌بینی است، بنابراین برای اندازه‌گیری دقیق توسط سنجه‌های یونی، باید طیف‌سنج جرمی نیز مورد استفاده قرار گیرد.

خواص

بسیاری از خواص فضایی در یک خلأ که به کمال نزدیک می‌شوند، مقادیر غیر صفر را به خود می‌گیرند. این ثابت‌های فیزیکی ایده آل معمولا ثابت‌های «فضای آزاد» نامیده می‌شوند. برخی از موارد رایج عبارتند از:

سرعت نور به ۲۹۹۷۹۲۴۵۸ متر بر ثانیه نزدیک می‌شود، اما همواره در شرایط دیگر کندتر است.

شاخص انحراف معیار به ۱٫۰ نزدیک می‌گردد، که در شرایط دیگر همیشه بالاتر است.

«گذردهی الکتریکی» (Electric permittivity) نزدیک به x10-12 8.8541878176 فاراد بر متر است.

«نفوذپذیری مغناطیسی» (Magnetic permeability) نزدیک به ۴π × ۱۰-۷ N / A2 است.

مشخصه امپدانس نزدیک به ۳۷۶٫۷۳ Ω است.