Что сильнее вакуум или гравитация?
Еще со школьной скамьи всем известно, что космическое пространство – вакуум. Но, до сих пор, многие задаются вопросами и спорят относительно атмосферы Земли.
В чем же заключаются все вопросы и споры?
Как известно, Земля имеет собственную атмосферу. Этот факт никто не собирается оспаривать. Но космос – это абсолютное безвоздушное пространство. И если это так, то каким образом Земля сохраняет свою воздушную оболочку?
Достаточно провести эксперимент со стаканом с водой, спицей и листом бумаги. В этом эксперименте, стакан с водой и листом бумаги – космический вакуум, а спица – Земля с атмосферой.
Налейте полстакана воды, накройте листом бумаги и резко переверните стакан. Между стаканом и листом создастся вакуум. А теперь просуньте между бумагой и стаканом спицу. Воздух начнет проникать в стакан, одновременно ослабляя вакуум.
И как же тогда Земля удерживает свою атмосферу? Неужели за счет своего электромагнитного поля? Абсурд. Если гравитация Земли настолько сильна, чтобы справиться с огромным космическим вакуумом, и поэтому сохранила атмосферу, то по логике вещей, с помощью все той же своей гравитации, она давно должна была притянуть к себе из космоса все объекты! Таким образом, получается, что и Луна уже давно была бы частью планеты, а не ее спутником. И снова абсурд. Все планеты и другие космические тела не приближаются к Земле.
Пытаясь понять данное явление с научной точки зрения, проанализировав все аспекты, рассчитав все известные формулы, ученые приходят к выводу, что Земля действительно обладает мощным полем, которое притягивает и удерживает атмосферу на ее поверхности, точнее все слои атмосферы. При этом, она никак не воздействует на других своих собратьев в открытом космосе.
И соответственно сам вопрос, о силе ее гравитации против космического вакуума, в ученом сообществе, до сих пор остается открытым. Многие научные мужи утверждают, что все остальные космические объекты просто имеют такое энергетическое поле, которое отталкивает их от Земли. Опять – абсурд. Как тогда объяснить падение метеоритов и их осколков?
Некоторые из научного братства, всерьез начинают задумываться о том, что сотворение Земли и всего космического пространства, это действительно Божий промысел, как описано в Библии. Хотя, вслух свои догадки высказывать не решаются. Понять и уж тем более описать научно труды самого Творца не берется никто.
Абсолютный вакуум и атмосферное давление
Согласно определению в физике, концепция «вакуума» предполагает отсутствие какого-либо вещества и элементов материи в определенном пространстве, в этом случае говорят об абсолютном вакууме. Частичный же вакуум наблюдается тогда, когда плотность находящегося вещества в данном месте пространства является низкой. Рассмотрим подробнее этот вопрос в статье.
Вакуум и давление
В определении концепции «абсолютный вакуум» речь идет о плотности вещества. Из физики же известно, что если рассматривается газообразная материя, то плотность вещества является прямо пропорциональной величиной давлению. В свою очередь, когда говорят о частичном вакууме, то подразумевают, что плотность частиц материи в данном пространстве меньше, чем таковая для воздуха при нормальном атмосферном давлении. Именно поэтому вопрос вакуума — это вопрос давления в рассматриваемой системе.
В физике абсолютное давление — это величина, равная отношению силы (измеряется в ньютонах (Н)), которая перпендикулярно приложена к некоторой поверхности, к площади этой поверхности (измеряется в квадратных метрах), то есть P = F/S, где P — давление, F — сила, S — площадь поверхности. Единицей измерения давления является паскаль (Па), получается, что 1 [Па] = 1 [Н]/ 1 [м 2 ].
Частичный вакуум
Экспериментально установлено, что при температуре 20 °C на поверхности Земли на уровне моря атмосферное давление составляет 101 325 Па. Это давление получило название 1-й атмосферы (атм.). Приблизительно можно сказать, что давление в 1 атм. равняется 0,1 МПа. Отвечая на вопрос о том, сколько атмосфер в 1 паскале, составляем соответствующую пропорцию и получаем, что 1 Па = 10 -5 атм. Частичный вакуум соответствует любому давлению в рассматриваемом пространстве, которое меньше 1 атм.
Если переводить указанные цифры с языка давлений на язык количества частиц, тогда следует сказать, что при 1 атм. в 1 м 3 воздуха содержится приблизительно 10 25 молекул. Любое уменьшение названной концентрации молекул приводит к образованию частичного вакуума.
Измерение вакуума
Самым распространенным прибором для измерения небольшого вакуума является обычный барометр, который можно использовать только для случаев, когда давление газа составляет несколько десятков процентов от атмосферного.
Для измерения более высоких значений вакуума используют электрическую схему с мостом Уитстона. Идея использования заключается в измерении сопротивления чувствительного элемента, которое зависит от окружающей его концентрации молекул в газе. Чем больше эта концентрация, тем больше молекул ударяются о чувствительный элемент, и тем больше тепла он им передает, это приводит к уменьшению температуры элемента, которая влияет на его электрическое сопротивление. Этим прибором удается измерять вакуум с давлениями в 0,001 атм.
Историческая справка
Интересно отметить, что понятие «абсолютный вакуум» полностью отвергалось известными древнегреческими философами, например Аристотелем. Кроме того, о существовании атмосферного давления не было известно до начала XVII века. Только с приходом Нового времени начали проводиться эксперименты с трубками, наполненными водой и ртутью, которые показали, что земная атмосфера оказывает давление на все окружающие тела. В частности, в 1648 году Блез Паскаль смог измерить с помощью ртутного барометра давление на высоте 1000 метров над уровнем моря. Измеренное значение оказалось намного меньшим, чем на уровне моря, тем самым ученый доказал существование атмосферного давления.
Впервые эксперимент, который явно продемонстрировал силу атмосферного давления, а также подчеркнул концепцию вакуума, был проведен в Германии в 1654 году, в настоящее время он известен под названием «эксперимент с магдебургскими сферами». В 1654 году немецкий физик Отто фон Герике смог плотно соединить две металлические полусферы диаметром всего 30 см, а затем выкачал из полученной конструкции воздух, создав тем самым частичный вакуум. История повествует, что две упряжки по 8 лошадей в каждой, которые тянули в противоположные стороны, не смогли разъединить эти сферы.
Абсолютный вакуум: существует ли он?
Иными словами, существует ли место в пространстве, которое бы не содержало никакой материи. Современные технологии позволяют создать вакуум 10 -10 Па и даже меньше, однако это абсолютное давление не означает, что в рассматриваемой системе не остается частиц материи.
Обратимся теперь к самому пустому пространству во Вселенной — к открытому космосу. Какое давление в вакууме космоса? Давление в космическом пространстве вокруг Земли составляет 10 -8 Па, при этом давлении существует около 2 млн молекул в объеме 1 см 3 . Если говорить о межгалактическом пространстве, то по оценкам ученых даже в нем существует как минимум 1 атом в объеме 1 см 3 . Более того, наша Вселенная пронизана электромагнитным излучением, носителями которого являются фотоны. Электромагнитное излучение — это энергия, которую можно перевести в соответствующую массу по знаменитой формуле Эйнштейна (E = m*c 2 ), то есть энергия, наряду с веществом, является состояние материи. Отсюда следует вывод, что абсолютного вакуума в известной нам Вселенной не существует.
Чем заполнен космический вакуум?
Принято считать, что космические пространства заполнены разве что вакуумом, то есть пустотой. Однако, такое утверждение не совсем верно.
Начнем хотя бы с того, что даже сами наши представления о вакууме, то есть безвоздушном пространстве, весьма относительны. Например, в электрической лампочке «нет воздуха», говорим мы, он оттуда выкачан. Сравнительно с комнатным воздухом там — вакуум. Но физик с помощью своих лучших насосов может так выкачать воздух из какой-либо стеклянной трубки, что по сравнению с ним пространство внутри электрической лампы будет просто кишеть мириадами молекул.
Так выглядит газовая диффузная туманность
Вот и космический вакуум также относителен. Газовые диффузные туманности, хотя и имеют плотность, меньшую чем одна миллиардная от миллиардной доли грамма в кубическом сантиметре, но все же никак не могут считаться “пустотой”. Но и там, где нет ни звезд ни туманностей, тоже не царит абсолютное “ничто”. Оно также заполнено газом, пускай и ничтожной плотности. Вот и выходит, что космический вакуум это никакая не пустота, а та же газовая среда, хотя и ужасно разряженная.
Впрочем, не только газовая! На спектрографе космический вакуум “светится” громадным количеством атомов различных химических элементов, но преобладают среди них ничто иное как кальций. Сперва это вызывало недоумение, но потом выяснилось, что ионизированный кальций поглощает свет главным образом в тех двух своих линиях, которые находятся в легко наблюдаемой части спектра. Атомы других элементов поглощают свет либо в очень многих линиях, как, например, железо, либо в такой области спектра (ультрафиолетовой), которая недоступна для изучения из-за ее полного поглощения в нашей атмосфере.
Поэтому-то линии других межзвездных атомов, если они есть, либо вообще не могут быть обнаружены, либо они менее заметны, потому что их общее поглощение разбивается на много разных поглощений — в каждой линии понемногу. Поэтому нет оснований считать ионизированный кальций единственным или преобладающим газом в межзвездных далях. Фигурально выражаясь, он только заявляет о своем присутствии громче других.
Можно все же попытаться найти и другие межзвездные газы, хотя бы слабые следы их. И действительно, после специальных поисков в спектрах звезд был найден межзвездный натрий, титан, калий, железо, циан и даже углеводород.
Общая плотность поглощающего межзвездного газа в несколько тысяч раз меньше плотности излучающих свет газовых туманностей. Полная же плотность межзвездного газа значительно больше и составляет не менее одной миллионной от миллиардной части одной миллиардной доли грамма в кубическом сантиметре. Если бы этот газ состоял из одного лишь водорода, то при такой плотности в 1 кубическом сантиметре содержалось бы только по одному атому, тогда как в таком же объеме комнатного воздуха их содержится 10 миллиардов миллиардов!
В действительности дело почти так и обстоит, так как водород на самом деле является главной составной частью межзвездного газа. Следующее за ним место занимает натрий, но на водород приходится 90% всей межзвездной среды, включая космическую пыль и метеориты. На долю последних приходится, как оказывается, ничтожная доля массы всей межзвездной среды, и больше всего в них весит самый легкий из газов.
И темные и светлые туманности которые мы видим с Земли, состоят из очень разряженных газов
Светлые туманности, то тут, то там видимые среди звезд и состоящие из газов, также светятся благодаря воздействию со стороны звезд, но в данном случае мы наблюдаем процесс так называемой флюоресценции – сама туманность не излучает света, а только отражает звездный, как правило исходящий от очень горячих звезд.
Подводя итог, хочу вновь задать вопрос, как и в начале: можно ли считать, что космос наполнен лишь пустотой? Нет, и мы в этом только что убедились. Однако, положа руку на сердце, мы должны признать и то, что такое утверждение не так уж далеко от действительности. Не смотря на наличие в космическом вакууме громадного числа атомов самых разных химический элементов, их количество, все-таки ничтожно мало.
В пределах доступной исследованиям части Вселенной на каждый кубический сантиметр звездного вещества приходится приблизительно 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 кубических сантиметров почти пустого пространства. А поскольку средняя плотность звезды лишь немного выше плотности воды, предыдущее утверждение можно перефразировать, сказав, что средняя плотность Вселенной порядка одного грамма на каждые 5 000 000 000 000 000 000 000 000 000 кубических сантиметров.
Это примерно в 10 триллионов раз меньше той плотности, которая считается высоким вакуумом, достигаемым при помощи обычной лабораторной техники.