Κενό

Για άλλες χρήσεις, δείτε: κενό (φιλοσοφία).

Στην κλασική φυσική, ως κενό ορίζεται η απόλυτη απουσία ύλης σε μια περιοχή του χώρου.

Αντλία κενού και βάζο σε σχήμα καμπάνας για πειράματα κενού, που χρησιμοποιήθηκαν για επιστημονική εκπαίδευση στις αρχές του 20ου αιώνα και εκτίθενται στο Schulhistorische Sammlung («Σχολικό Ιστορικό Μουσείο»), Bremerhaven της Γερμανίας

Το τέλειο κενό (ή απόλυτο κενό) είναι μια εξιδανίκευση που φαίνεται πως δεν μπορεί να υπάρξει στην πραγματικότητα του δικού μας σύμπαντος, αλλά προσεγγίζεται μερικώς στο εξώτερο διάστημα. Οι φυσικοί χρησιμοποιούν τον όρο μερικό κενό για να περιγράψουν το ατελές κενό που παρατηρείται στον πραγματικό κόσμο. Μια πλήρης περιγραφή της ατελούς αυτής φυσικής κατάστασης θα απαιτούσε να προσδιοριστούν περισσότερες παράμετροι, όπως η θερμοκρασία καθώς στην ιδανικότερη παρατηρήσιμη κατάσταση κενού, αυτήν του διαστήματος, υπάρχουν πάντα μερικά άτομα υδρογόνου ανά κυβικό μέτρο. Ακόμα όμως κι αν αφαιρούσαμε όλη την ύλη με τη γνωστή μορφή της από τον χώρο, σύμφωνα με την κβαντική μηχανική, τα ιδεατά σωματίδια που εμφανίζονται για απειροελάχιστο χρόνο και ξαναχάνονται και η σκοτεινή ενέργεια της οποίας τα αποτελέσματα είναι παρατηρήσιμα δεν μας αφήνουν να ελπίσουμε για δυνατότητα δημιουργίας πραγματικού κενού στον κόσμο που γνωρίζουμε.

Ως αντίθετη έννοια του κενού, μια ιδεατή κατάσταση όπου ο τρισδιάστατος χώρος καλύπτεται εντελώς από ύλη, καλείται πλήρες (plenum).

Μηχανολογία

Στη μηχανολογία, κενό χαρακτηρίζεται οποιαδήποτε περιοχή εντός της οποίας η πίεση ενός αερίου είναι μικρότερη της ατμοσφαιρικής πίεσης. Οι μηχανικοί μετρούν τις διαβαθμίσεις του κενού με τις ίδιες μονάδες πίεσης. Η μονάδα SI για την πίεση είναι το πασκάλ (pascal) (σύντμηση Pa), αλλά στην πράξη το κενό μετριέται σε μονάδες torr (Τορρικέλι), που ισούται με 133,3223684 μονάδες πασκάλ. Συχνά μετριέται επίσης κάνοντας χρήση της βαρομετρικής κλίμακας, ή δίνεται σαν ποσοστό της ατμοσφαιρικής πίεσης (μονάδα bar). Επίσης για εμπορικούς σκοπούς, το κενό συχνά μετράται σε χιλιοστόμετρα υδραργύρου (mmHg). Αυτό σημαίνει ότι η πίεση στο κενό, όταν προσδιορίζεται σε χιλιοστόμετρα υδραργύρου, είναι ίση με τα αναφερόμενα χιλιοστά υδραργύρου αφαιρούμενα από το 759,968. Συνεπώς, μια πίεση 660 mmHg ισοδυναμεί με πίεση (759,968 - 660) = 99,968 mmHg. Εδώ, τα 759,968 mmHg σημαίνουν το τέλειο ή απόλυτο κενό. Συνηθέστερα ακολουθείται το ακέραιο 760 mmHg = 76 cmHg = 30 inHg = 100% (σε ποσοστό κενού).

• Τα όργανα που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση πιέσεων χαμηλότερη της ατμοσφαιρικής ονομάζονται κενόμετρα σε αντίθεση των οργάνων που μετρούν μεγαλύτερες πιέσεις και λέγονται μανόμετρα ή θλιβόμετρα.
• Αν η μέτρηση μεγάλων πιέσεων αρχίζει από το τέλειο κενό τότε λέγεται πως εκφράζει απόλυτη πίεση. Αν όμως αρχίζει από της ατμοσφαιρικής πίεσης και προς τα άνω τότε λέγεται πως εκφράζει πραγματική πίεση (λέγεται και μανομετρική πίεση). Η διαφορά μεταξύ των δύο παραπάνω πιέσεων είναι η βαρομετρική πίεση. Επομένως οποιαδήποτε "απόλυτη πίεση" (ρ) ισούται με την αντίστοιχη "πραγματική" (ρ_υ) συν τη "βαρομετρική" (Β).Οι μαθηματικές σχέσεις είναι οι εξής:

ρ = ρ_υ + Β καθώς και

ρ_υ = ρ - Β

Παράδειγμα: Έστω ότι μέσα σ΄ ένα λέβητα ο υφιστάμενος ατμός πιέζει τα τοιχώματά του με "απόλυτη πίεση" 15 τεχνικών ατμοσφαιρών (At). Επειδή όμως εξωτερικά του λέβητα επικρατεί η βαρομετρική πίεση, έπεται ότι η συνισταμένη πίεση, με την οποία ο ατμός πιέζει τα τοιχώματα, από μέσα προς τα έξω, είναι ίση με την πραγματική ή μανομετρική που δεικνύει και το μανόμετρο του λέβητα. Αν δηλαδή το βαρόμετρο αντίστοιχα δίνει 760 mmHg, που ισούται με 1,033 At (δηλαδή τη συνηθέστερη τιμή βαρομετρικής πίεσης στην επιφάνεια της θάλασσας), τότε η "πραγματική πίεση" θα είναι ακριβώς 15 - 1,033 = 13,967 At ή περίπου 14 At. Συνεπώς την τιμή αυτή θα δεικνύει και το θλιβόμετρο του λέβητα.

Διαβαθμίσεις του κενού

Διαβαθμίσεις του κενού σε διάφορες μονάδες μέτρησης

Vacuum quality	Torr	Pa	Ατμόσφαιρες
Ατμοσφαιρική πίεση	760	1.013×105	1
Χαμηλό κενό	760 με 25	1×105 με 3×103	9.87×10−1 με 3×10−2
Μέσο κενό	25 με 1×10−3	3×103 με 1×10−1	3×10−2 με 9.87×10−7
Υψηλό κενό	1×10−3 με 1×10−9	1×10−1 με 1×10−7	9.87×10−7 με 9.87×10−13
Πολύ υψηλό κενό	1×10−9 με 1×10−12	1×10−7 με 1×10−10	9.87×10−13 με 9.87×10−16
Εξαιρετικά υψηλό κενό	< 1×10−12	< 1×10−10	< 9.87×10−16
Διάστημα	1×10−6 με < 1×10−17	1×10−4 με < 3×10−15	9.87×10−10 με < 2.96×10−20
Τέλειο κενό	0	0	0

Παραδείγματα:

• Ατμοσφαιρική πίεση = 101.3 kPa (760 Torr)
• Εσωτερικό ηλεκτρικής σκούπας = περίπου 80 kPa (600 Torr)
• Μηχανική αντλία κενού = περίπου 100 Pa έως 100 μPa (1 Torr με 10⁻⁶ Torr)
• Εξώτερο διάστημα πλησίον της γης = περίπου 100 μPa (10⁻⁶ Torr)
• Πίεση στην επιφάνεια της Σελήνης = περίπου 1 nPa (10⁻¹¹ Torr)
• Διαστρικό διάστημα = περίπου 1 fPa (10⁻¹⁷ Torr)

Καθώς η πίεση του αερίου ελαττώνεται, η μέση ελεύθερη διαδρομή (ΜΕΔ) των μορίων του αερίου αυξάνει. Όταν η ΜΕΔ γίνει μεγαλύτερη των διαστάσεων του δοχείου, της αντλίας, του διαστημικού σκάφους ή άλλων αντικειμένων που είναι παρόντα, οι υποθέσεις περί συνεχούς της μηχανικής των ρευστών παύουν να έχουν ισχύ. Ουσιαστικά, τα μόρια του αερίου (σχεδόν) δεν συγκρούονται πλέον μεταξύ τους, αλλά μόνον με τα τοιχώματα το δοχείου. Αυτή η κατάσταση του κενού καλείται υψηλό κενό, και η μελέτη της ροής των ρευστών σ' αυτή την περιοχή καλείται δυναμική σωματιδιακού αερίου.

Στο διαπλανητικό και διαστρικό διάστημα, η ισότροπη πίεση του αερίου είναι αμελητέα εν συγκρίσει με την ηλιακή πίεση, τον ηλιακό άνεμο και τη δυναμική πίεση. Οι αστροφυσικοί προτιμούν να χρησιμοποιούν την πυκνότητα για να περιγράψουν τέτοια περιβάλλοντα, σε μονάδες σωματιδίων ανά κυβικό μέτρο.

Η δημιουργία του κενού

Σχηματική παράσταση της λειτουργίας μιας περιστροφικής αντλίας κενού.

Ο ευκολότερος τρόπος να δημιουργήσει κανείς τεχνητό κενό είναι να εκτείνει τον όγκο του περιέχοντος δοχείου. Για παράδειγμα, οι μύες μας διαστέλλουν τους πνεύμονές μας για να δημιουργήσουν μερικό κενό στο εσωτερικό τους, και ο αέρας εισορμά για να γεμίσει το κενό. Με επαναλαμβανόμενο αποκλεισμό ενός διαμερίσματος του δοχείου κενού και άντληση στη συνέχεια του περιεχομένου του, είναι δυνατόν να αντλήσουμε τον αέρα από έναν θάλαμο σταθερού μεγέθους, με τον ίδιο ουσιαστικά τρόπο που αντλούμε πορτοκαλάδα με καλαμάκι από ένα ποτήρι. Αυτή είναι η αρχή που διέπει τη λειτουργία των περισσότερων μηχανικών αντλιών κενού (βλ. διπλανό σχήμα). Στο εσωτερικό της αντλίας, ένας μηχανισμός διαστέλλει μια μικρή σφραγισμένη κοιλότητα για να δημιουργήσει βαθύ κενό (φάση (α)). Εξαιτίας της βαθμίδας πίεσης, ένα μέρος από τον αέρα του θαλάμου σπρώχνεται μέσα στη μικρή κοιλότητα της αντλίας (φάση (β)). Στη συνέχεια, φράσσεται η έξοδος της κοιλότητας προς τον θάλαμο (φάση (γ)) και ανοίγεται η έξοδός της προς το περιβάλλον (ατμόσφαιρα) (φάση (δ)). Τέλος, η κοιλότητα συμπιέζεται και πάλι στο αρχικό μικρό μέγεθος και ο κύκλος επαναλαμβάνεται.

Μια μηχανική αντλία κενού εξάγει τον ίδιο όγκο αερίου σε κάθε κύκλο, αλλά καθώς η πίεση του θαλάμου πέφτει, ο όγκος αυτός περιέχει ολοένα και λιγότερη μάζα (μικρότερο πλήθος σωματιδίων). Έτσι, μολονότι η ταχύτητα άντλησης παραμένει σταθερή όταν υπολογίζεται σε λίτρα/δευτερόλεπτο, ελαττώνεται εκθετικά όταν μετριέται σε χιλιόγραμμα/δευτερόλεπτο. Στο μεταξύ, τα ποσοστά διαρροής, εξάτμισης και εξαέρωσης παράγουν μια σταθερή ροή μάζας μέσα στο σύστημα. Όταν η ροή μάζας της αντλίας κατέβει στα ίδια επίπεδα με τις ροές μάζας μέσα στο θάλαμο, το σύστημα προσεγγίζει ασυμπτωτικά μια σταθερή πίεση που ονομάζεται πίεση βάσης (base pressure). Η εξάτμιση και η εξαέρωση μέσα στο κενό ονομάζεται outgassing, και η πιο κοινή πηγή της είναι το νερό που απορροφάται από υλικά μέσα στο θάλαμο. Το outgassing μπορεί να περιοριστεί με ξήρανση του θαλάμου πριν τη διαδικασία της άντλησης. Η πίεση βάσης μιας αντλίας με σύστημα πιστονιού που σφραγίζεται με λάστιχο ή πλαστικό είναι τυπικά 1 έως 50 kPa, ενώ μια αντλία με έλικα μπορεί να φτάσει τα 10 Pa και μια περιστροφική αντλία λαδιού με καθαρό και άδειο μεταλλικό θάλαμο μπορεί εύκολα να πετύχει 0.1 Pa.

Εάν η κυρίαρχη ροή μάζας μέσα στο κενό του θαλάμου είναι η διαρροή του θαλάμου ή το outgassing των υλικών υπό κενό, τότε το κενό μπορεί να βελτιωθεί απλά με την εγκατάσταση μεγαλύτερων αντλιών. Ωστόσο, φτάνει κάποια στιγμή που η ανάδρομη διαρροή διά μέσου της αντλίας και το outgassing των λαδιών της αντλίας γίνονται οι κυρίαρχες ροές μάζας μέσα στο θάλαμο. Στην κατάσταση αυτή, το κενό θα προσεγγίσει την έσχατη πίεση της αντλίας - το βέλτιστο κενό που μπορεί να επιτύχει ο συγκεκριμένος τύπος αντλίας κάτω από ιδανικές συνθήκες. Η προσθήκη περισσότερων αντλιών σε παράλληλη σειρά ή μεγαλύτερων αντλιών του ίδιου τύπου μπορεί ακόμη να βελτιώσει την ταχύτητα άντλησης, δεν πρόκειται όμως να ρίξει την πίεση βάσης κάτω από την έσχατη πίεση. Καλύτερες τεχνολογίες άντλησης πρέπει να χρησιμοποιηθούν για να υπερνικηθεί αυτό το φράγμα.

Υψηλό κενό

Ευτυχώς, όταν η πίεση πέσει κάτω από το 1 kPa περίπου, καθίσταται δυνατή μια άλλη τεχνική δημιουργίας κενού δι' αντλήσεως. Με βάση τους νόμους της μηχανικής των ρευστών, η ροή της ύλης είναι διαφορετική σε διαφορετικές πιέσεις. Σε ατμοσφαιρική πίεση και χαμηλό κενό, τα μόρια αντιδρούν μεταξύ τους και ωθούν τα γειτονικά τους μόρια, μια κίνηση που είναι γνωστή ως τυρβώδης ροή. Όταν η απόσταση μεταξύ των μορίων αυξάνει, τα μόρια έρχονται σε επαφή με τα τοιχώματα του θαλάμου συχνότερα από ότι με τα υπόλοιπα μόρια, και η μοριακή άντληση καθίσταται περισσότερο αποτελεσματική από τη μηχανική άντληση. Αυτή η περιοχή ονομάζεται γενικά υψηλό κενό.

Οι μοριακές αντλίες (ή αντλίες διάχυσης) σαρώνουν μεγαλύτερη περιοχή από ότι οι μηχανικές αντλίες, και το κάνουν πιο συχνά, επιτυγχάνοντας έτσι πολύ μεγαλύτερες ταχύτητες άντλησης, μετρημένες σε όγκο ανά μονάδα χρόνου. Το τίμημα για την υψηλή αυτή απόδοση είναι ότι τους λείπει το φράγμα ανάμεσα στο κενό και το περιβάλλον εκτόνωσης. Εφόσον δεν υπάρχει φράγμα, μια μικρή πίεση στο χώρο εκτόνωσης μπορεί εύκολα να προκαλέσει ανάδρομη ροή και να στείλει τον αέρα πίσω διαμέσου της αντλίας· αυτό ονομάζεται πέδηση. Στο υψηλό κενό, ωστόσο, η βαθμίδα πίεσης έχει μικρή επίδραση στη ροή των ρευστών, και οι μοριακές αντλίες μπορούν να επιτύχουν τη μέγιστη ισχύ τους.

Οι δύο κύριοι τύποι μοριακών αντλιών είναι η αντλία διάχυσης και η τουρμπομοριακή αντλία. Και οι δύο τύποι αντλιών παρασύρουν μόρια του αερίου που διαχέονται μέσα στην αντλία. Οι αντλίες διάχυσης παρασύρουν έξω μόρια με πίδακες λαδιού, ενώ οι τουρμπομοριακές αντλίες χρησιμοποιούν ανεμιστήρες μεγάλων ταχυτήτων. Και οι δύο αυτές αντλίες εμποδίζονται και αποτυγχάνουν να αντλήσουν αν η εκτόνωση γίνεται απευθείας σε ατμοσφαιρική πίεση, επομένως πρέπει να εκτονώνονται μέσα στο χαμηλότερης διαβάθμισης κενό που δημιουργούν οι μηχανικές αντλίες.

Όπως και με τις μηχανικές αντλίες, η πίεση βάσης επιτυγχάνεται όταν η διαρροή, το outgassing και η ανάδρομη ροή εξισώνονται με την ταχύτητα της αντλίας, αλλά σ' αυτή την περίπτωση είναι πολύ δυσκολότερο να ελαχιστοποιήσουμε τη διαρροή και το outgassing σε επίπεδα συγκρίσιμα με την ανάδρομη ροή. Τα συστήματα υψηλού κενού γενικά προϋποθέτουν μεταλλικούς θαλάμους με δακτυλίους στεγανοποίησης όπως οι φλάντζες Klein ή φλάντζες ISO. Το σύστημα πρέπει να είναι καθαρό και απαλλαγμένο από οργανικές ύλες για να ελαχιστοποιηθεί το outgassing. Όλα τα υλικά, στερεά ή υγρά, έχουν μια μικρή τάση ατμών, και το outgassing τους γίνεται σημαντικό όταν η πίεση του κενού πέσει κάτω από την τιμή αυτής της τάσης ατμών. Ως αποτέλεσμα, πολλά υλικά που συμπεριφέρονται καλά σε χαμηλό κενό, όπως το epoxy, γίνονται προβληματική πηγή outgassing όταν επιχειρούμε να επιτύχουμε υψηλό κενό.

Με τις παραπάνω στάνταρντ προφυλάξεις, εύκολα επιτυγχάνεται κενό της τάξης του 1 mPa με μοριακές αντλίες του εμπορίου. Με προσεκτικό σχεδιασμό και χειρισμό, 1μPa είναι δυνατόν να επιτευχθεί.

Το κενό του διαστήματος

Μεγάλο μέρος του εξώτερου διαστήματος μπορεί να θεωρηθεί για όλους τους πρακτικούς σκοπούς σχεδόν τέλειο κενό, με έναν μικρό μόνο αριθμό από άτομα ανά κυβικό μέτρο, με πιο κοινά τα άτομα υδρογόνου (H) και ηλίου (He). Η ενδοαστρική ύλη περιέχει επίσης αρκετά σωματίδια σκόνης ώστε να επηρεάζει τις αστρονομικές μετρήσεις, και πιθανόν και άλλες μορφές σκοτεινής ύλης που έχουν επίδραση στη διαστολή του σύμπαντος.

Όλο το παρατηρήσιμο σύμπαν είναι επίσης γεμάτο με μεγάλο αριθμό φωτονίων, που αποτελούν τη λεγόμενη κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου, και πιθανότατα περιέχει έναν αντίστοιχα μεγάλο αριθμό νετρίνων. Η σημερινή θερμοκρασία της ακτινοβολίας υποβάθρου είναι γύρω στα 3 K, μόλις 3 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν. Ούτε τα φωτόνια ούτε τα νετρίνα αυτά αλληλεπιδρούν σημαντικά με την ύλη, οπότε τα αστέρια, οι πλανήτες και τα διαστημόπλοια κινούνται ελεύθερα στο σχεδόν τέλειο κενό του διαστρικού διαστήματος.

Τα αστέρια, οι πλανήτες και οι δορυφόροι συγκρατούν τις ατμόσφαιρές τους διά της βαρυτικής έλξης, επομένως οι ατμόσφαιρες δεν έχουν σαφή σύνορα. Η πυκνότητα του αερίου ελαττώνεται καθώς αυξάνεται η απόσταση από το ουράνιο σώμα. Στις χαμηλές τροχιές γύρω από τη Γη (σε ύψη 250 - 300 χλμ), η ατμοσφαιρική πυκνότητα είναι ακόμη αρκετά υψηλή για να προβάλει σημαντική αντίσταση στους δορυφόρους. Οι περισσότεροι γήινοι δορυφόροι λειτουργούν σε αυτό το υψόμετρο και χρειάζεται να πυροδοτούν τις μηχανές τους κάθε λίγες μέρες για να διατηρούνται σε τροχιά. Η ατμόσφαιρα σε Χαμηλή Γήινη Τροχιά ρυπαίνεται όλο και περισσότερο με ανθρωπογενή απόβλητα. Μελέτες έχουν αποκαλύψει ότι ορισμένοι δορυφόροι που ανασυλλέγονται από την τροχιά είναι καλυμμένοι με ένα πολύ λεπτό στρώμα ούρων και περιττωμάτων που έχουν προφανώς προέλθει από Ρωσικές και Αμερικανικές διαστημικές αποστολές. [1]

Πέρα από τις πλανητικές ατμόσφαιρες, η πίεση των φωτονίων και άλλων σωματιδίων που προέρχονται από τον ήλιο γίνεται σημαντική. Τα διαστημικά σκάφη μπορεί να πληγούν από τους ηλιακούς ανέμους, αλλά οι πλανήτες δεν επηρεάζονται λόγω της πολύ μεγάλης μάζας τους. Έχει προταθεί η ιδέα να εκμεταλλευτούμε τον ηλιακό άνεμο για διαπλανητικά ταξίδια κατασκευάζοντας ηλιακά ιστία.

Το βαθύ κενό του διαστήματος μπορεί να το κάνει ελκυστικό περιβάλλον για ορισμένες διεργασίες, για παράδειγμα εκείνες που απαιτούν εξαιρετικά καθαρές επιφάνειες.

Στα 1913, ο Νορβηγός εξερευνητής και φυσικός Κρίστιαν Μπίρκελαντ (Kristian Birkeland) ήταν ίσως ο πρώτος που προέβλεψε ότι το διάστημα δεν περιέχει μόνο πλάσμα, αλλά επίσης και "σκοτεινή ύλη". Έγραψε: "Φαίνεται να είναι φυσική συνέπεια των απόψεών μας να υποθέσουμε ότι το σύνολο του διαστήματος είναι γεμάτο με ηλεκτρόνια και ιπτάμενα ηλεκτρικά ιόντα όλων των ειδών. Έχουμε υποθέσει ότι κάθε αστρικό σύστημα σε εξέλιξη εξακοντίζει ηλεκτρικά σωματίδια μέσα στο διάστημα. Δεν φαίνεται παράλογο επομένως να σκεφτούμε ότι το μεγαλύτερο μέρος των υλικών μαζών στο σύμπαν βρίσκεται, όχι στα αστρικά συστήματα ή στα νεφελώματα, αλλά στον κενό χώρο." (Δείτε "Polar Magnetic Phenomena and Terrella Experiments", in The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903 (εκδ. 1913, σελ.720) )

Το κβαντικό κενό

Στην κβαντομηχανική, και ειδικά στην κβαντική θεωρία πεδίου, το κενό ορίζεται ως η κατάσταση εκείνη (δηλ. η λύση των εξισώσεων της θεωρίας) που κατέχει την ελάχιστη δυνατή ενέργεια (χαμηλότερη ενεργειακή στάθμη). Σε πρώτη προσέγγιση, αυτό σημαίνει απλώς μια κατάσταση χωρίς σωματίδια, εξ ου και το όνομα.

Ακόμη και το ιδεατό κενό, νοούμενο ως πλήρης απουσία οποιουδήποτε πράγματος, στην πράξη δεν θα παραμείνει άδειο. Για παράδειγμα, ας φανταστούμε έναν θάλαμο κενού που έχει εκκενωθεί εντελώς, ώστε η συγκέντρωση (κλασικών) σωματιδίων «ύλης» να είναι μηδενική. Τα τοιχώματα του θαλάμου θα εκπέμψουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία υπό τη μορφή ακτινοβολίας μέλανος σώματος. Η ακτινοβολία αυτή μεταφέρει ορμή και ενέργεια, οπότε το κενό έχει ενεργειακό περιεχόμενο και τα τοιχώματα δέχονται πίεση ακτινοβολίας. Το ίδιο αληθεύει ακόμη και για το κενό του διαστρικού χώρου. Ακόμη κι αν μια περιοχή του χώρου δεν περιέχει σωματίδια, η Κοσμική Ακτινοβολία Υποβάθρου διαπερνά ολόκληρο το σύμπαν.

Υπό την κλασική έννοια του εντελώς άδειου χώρου, το κενό δεν μπορεί να υπάρξει ούτε στο εσωτερικό της ύλης. Λέγεται συχνά ότι «το άτομο είναι στο μεγαλύτερο ποσοστό κενός χώρος». Ωστόσο, στην κβαντική μηχανική τα σωματίδια δεν έχουν απολύτως καθορισμένες θέσεις και μεγέθη· δεν είναι σημεία ούτε «σβώλοι» που καταλαμβάνουν σαφώς έναν χώρο. Αντίθετα, μπορεί να θεωρηθεί ότι π.χ. τα ηλεκτρόνια απλώνονται σε ολόκληρο τον χώρο του ατόμου, με μια ορισμένη πιθανότητα να εντοπιστούν σε οποιοδήποτε σημείο του. Επομένως, μπορεί κανείς να μιλήσει για μικρότερη ή μεγαλύτερη «πυκνότητα πιθανότητας» σε μια περιοχή του χώρου, αλλά όχι για σαφώς κατειλημμένες και κενές περιοχές.

Σε πιο θεμελιώδες επίπεδο, η κβαντομηχανική προβλέπει ότι η ενέργεια κενού θα διαφέρει από την απλοϊκά αναμενόμενη, κλασική τιμή της. Η κβαντική διόρθωση στην ενέργεια καλείται ενέργεια μηδενικού σημείου και συνίσταται από τις ενέργειες δυνητικών σωματιδίων που έχουν μια πρόσκαιρη ύπαρξη, καθώς δημιουργούνται αυθόρμητα από το κενό και επιστρέφουν σε αυτό. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται κβαντική διακύμανση του κενού και είναι συνέπεια της αρχής της απροσδιοριστίας. Οι διακυμάνσεις του κενού ενδέχεται επίσης να σχετίζονται με τη λεγόμενη κοσμολογική σταθερά. Οι κυριότερες πειραματικές ενδείξεις υπέρ των διακυμάνσεων του κενού είναι το φαινόμενο Casimir και η μετατόπιση Lamb των ατομικών φασματικών γραμμών.

Στην κβαντική θεωρία πεδίου και τη θεωρία χορδών, ο όρος «κενό» σημαίνει τη θεμελιώδη στάθμη στον Χώρο Χίλμπερτ, δηλαδή τη στάθμη με τη χαμηλότερη δυνατή ενέργεια. Στις ελεύθερες (χωρίς αλληλεπιδράσεις) κβαντικές θεωρίες πεδίου, αυτή η στάθμη είναι ανάλογη προς τη θεμελιώδη στάθμη ενός κβαντικού αρμονικού ταλαντωτή.

Ιστορική ανασκόπηση

Ο Ότο φον Γκέρικε, ο θεμελιωτής της Φυσικής του κενού. Ο Γκέρικε έκανε μία θεαματική επίδειξη των δυνάμεων που μπορεί να ασκήσει η πίεση του αέρα με το πείραμα που είναι γνωστό στην Ιστορία της Επιστήμης ως τα ημισφαίρια του Μαγδεβούργου.

Δείτε επίσης το άρθρο: Κενό (φιλοσοφία).

Κατά τη διάρκεια της ιστορίας, οι διαμάχες σχετικά με το αν είναι δυνατόν να υπάρξει κάτι όπως το κενό υπήρξαν διαρκείς και έντονες. Ορισμένοι αρχαίοι έλληνες φιλόσοφοι ήταν απρόθυμοι να αποδεχτούν τη δυνατότητα ύπαρξης του κενού, καθώς το ταύτιζαν με το "μη ον" και θεωρούσαν ότι ο ισχυρισμός "υπάρχει κενό", δηλαδή "υπάρχει μη ον" εμπεριέχει μια αντίφαση. Ο Πλάτων έβρισκε την ιδέα του κενού αδιανόητη. Πίστευε ότι όλα τα φυσικά αντικείμενα ήταν πραγματώσεις ενός αφηρημένου Πλατωνικού Ιδεώδους, και αδυνατούσε να φανταστεί ένα πρότυπο "ιδεώδες" του κενού. Παρομοίως, ο Αριστοτέλης θεωρούσε τη δημιουργία κενού αδύνατη—το "τίποτα" δεν θα μπορούσε να είναι "κάτι". Μεταγενέστεροι έλληνες φιλόσοφοι σκέφτηκαν ότι το κενό θα μπορούσε να υπάρξει έξω από το κοσμικό σύμπαν, αλλά όχι στο εσωτερικό του.

Εξάλλου, η σχολή των ατομικών φιλοσόφων, με κύριο εκπρόσωπό της τον Δημόκριτο, εξέφρασε μια θέση ριζικά διαφορετική. Ταυτίζοντας την έννοια του κενού με τον κενό χώρο, ο Δημόκριτος κατόρθωσε να υπερβεί την αντίφαση που προξενούσε η έννοια του "μη όντος". Σύμφωνα με τον Δημόκριτο, υπάρχουν μόνον "άτομα και κενό". Μάλιστα, το κενό, ο κενός χώρος δηλαδή, είναι απαραίτητο στοιχείο της ατομικής θεωρίας, καθώς παρέχει το υπόβαθρο μέσα στο οποίο "φέρονται" (κινούνται) τα άτομα και κατ' επέκταση λαμβάνει χώρα οποιαδήποτε φυσική μεταβολή. Χωρίς το κενό δεν θα είχε νόημα η διακριτή φύση των ατόμων, ούτε θα μπορούσε η ατομική θεωρία να χρησιμεύσει ως εξήγηση των φυσικών φαινομένων. Με άλλα λόγια, στην ατομική φιλοσοφία ο χώρος αποκτά φυσική υπόσταση και πρέπει να θεωρείται εξίσου "πραγματικός" με το υλικό του περιεχόμενο.

Κατά τον Μεσαίωνα, η ιδέα του κενού θεωρούνταν ανήθικη ή ακόμη και αιρετική. Η απουσία οποιουδήποτε πράγματος υποδήλωνε την απουσία του Θεού, και παρέπεμπε στην κενότητα που προϋπήρξε της δημιουργίας που αφηγείται το βιβλίο της Γένεσης. Μεσαιωνικά νοητικά πειράματα πάνω στο ζήτημα του κενού εξέταζαν το ενδεχόμενο της ύπαρξης κενού, έστω και μόνο για μια στιγμή, μεταξύ δύο επιπέδων πλακών όταν αποχωρίζονταν γοργά η μία από την άλλη. Υπήρχε εκτενής συζήτηση σχετικά με το εάν ο αέρας εισχωρούσε αρκετά γρήγορα καθώς οι πλάκες αποχωρίζονταν, ή, σύμφωνα με τον Ουίλλιαμ Μπέρλεϋ (William Burley), αν κάποιο "ουράνιο αίτιο" εμπόδιζε να προκύψει κενό—δηλαδή, εάν η φύση αποστρεφόταν το κενό, πράγμα που εκφραζόταν με τον όρο "τρόμος του κενού" (horror vacui). Αυτή η εικασία έχασε τη σημασία της μετά τις Παρισινές καταδίκες του επισκόπου Τεμπιέρ, ο οποίος αξίωνε ότι δεν υπάρχουν περιορισμοί στη δύναμη του Θεού, πράγμα που οδηγούσε στο συμπέρασμα ότι ο Θεός θα μπορούσε να δημιουργήσει κενό εάν το επιθυμούσε.

Συνεχίζοντας το έργο του Γαλιλαίου, ο Εβανγκελίστα Τορριτσέλλι υποστήριξε στα 1643 ότι εμφανιζόταν κενό πάνω από την ελεύθερη επιφάνεια του υδραργύρου σε ένα βαρόμετρο υδραργύρου. Μερικοί πιστεύουν ότι μολονότι ο Τορριτσέλλι παρήγαγε πρώτος κενό, ήταν ο Μπλεζ Πασκάλ που το αναγνώρισε πρώτος ως τέτοιο. Αργότερα ο Ρόμπερτ Μπόιλ διεξήγαγε πειράματα πάνω στις επιπτώσεις του κενού. Για παράδειγμα, ένα καναρίνι όταν εκτίθετο σε κενό έχανε τις αισθήσεις του, συνερχόταν όμως όταν το επανέφεραν στον ανοιχτό αέρα. Στα 1654, ο Ότο φον Γκέρικε διεξήγαγε το περίφημο πείραμά του με τα ημισφαίρια του Μαγδεβούργου - ένα πείραμα που πήρε μάλλον τη μορφή δημόσιας επίδειξης, καταδεικνύοντας ότι δύο ομάδες αλόγων αδυνατούσαν να διαχωρίσουν, τραβώντας προς αντίθετες κατευθύνσεις, δύο ημισφαίρια από το εσωτερικό των οποίων είχε αντληθεί ο αέρας. Το φαινόμενο είναι ανάλογο με την προσκόλληση μιας βεντούζας σε ένα τζάμι: πιέζοντάς την στο τζάμι, ο αέρας ανάμεσα στις δύο επιφάνειες βγαίνει προς τα έξω και οι επιφάνειες παραμένουν κολλημένες χάρη στην υποπίεση του εσωτερικού σε σχέση με το εξωτερικό.

Παράλληλα, θεωρίες σχετικές με τη φύση του φωτός είχαν υποβάλει την ιδέα ενός αιθέριου μέσου που θα μπορούσε να παίζει το ρόλο του μέσου διάδοσης των φωτεινών κυμάτων (Ο Νεύτων βασίστηκε στην ιδέα αυτή για να εξηγήσει τα φαινόμενα της διάθλασης και της μετάδοσης θερμότητας μέσω ακτινοβολίας). Η ιδέα αυτή εξελίχθηκε στην έννοια του φωτοφόρου αιθέρα κατά τον 19ο αιώνα, αλλά ήταν γνωστό ότι είχε σημαντικές αδυναμίες. Στα 1887 το πείραμα των Μάικελσον και Μόρλεϋ (Michelson & Morley), στο οποίο χρησιμοποιήθηκε ένα συμβολόμετρο σε μια προσπάθεια να εντοπιστούν μεταβολές στην ταχύτητα του φωτός που οφείλονταν στην κίνηση της Γης ως προς τον αιθέρα, κατέληξε σε ένα αρνητικό αποτέλεσμα που έγινε διάσημο. Καμιά μεταβολή στην ταχύτητα του φωτός δεν εντοπίστηκε, πράγμα που οδήγησε τελικά στην εγκατάλειψη της ιδέας ενός ακίνητου, διάχυτου στο σύμπαν μέσου, διά μέσου του οποίου θα κινούνταν η Γη σαν να βρισκόταν μέσα στο ρεύμα ενός ανέμου.

Το πείραμα δεν ήταν η μοναδική ένδειξη κατά της ύπαρξης του αιθέρα, αλλά το τελειωτικό χτύπημα στη θεωρία, μιας και το υποτιθέμενο αιθέριο μέσο ουδέποτε είχε εντοπιστεί θετικά, απλώς είχε υποτεθεί η ύπαρξή του μέσω μιας αναλογίας με τα άλλα κυματικά φαινόμενα. Εξάλλου, οι ιδιότητες που έπρεπε να του αποδοθούν προκειμένου να εξηγηθούν με συνέπεια τα φαινόμενα που προκαλούσε κατέληξαν να είναι αντιφατικές. Ο αιθέρας, λοιπόν, πιο πολύ κατέστη περιττός (με τη Θεωρία της Σχετικότητας) παρά καταρρίφθηκε.

Παραδείγματα

	Πίεση (Pa ή kPa)	Πίεση (Torr)	Απόσταση	Μόρια ανά cm3
Ατμοσφαιρική πίεση	101.325 kPa	760	66 nm	2.5×1019
Ηλεκτρική σκούπα	περίπου 80 kPa	600	70 nm	1019
Ατμοτουρμπίνα	9 kPa
Υδραντλία	περίπου 3.2 kPa	24	1.75 μm	1018
Ατμοσφαιρική πίεση στον Άρη	1.155 kPa με 0.03 kPa (μέσος ο. 0.6 kPa)	8.66 με 0.23
αποξήρανση πάγου	100 με 10	1 με 0.1	100 μm με 1 mm	1016 με 1015
Λαμπτήρας πυράκτωσης	10 με 1	0.1 με 0.01	1 mm με 1 cm	1015 με 1014
Θερμό (δοχείο)	1 με 0.01	10−2 με 10−4	1 cm με 1 m	1014 με 1012
Θερμόσφαιρα της Γης	1 Pa to 1×10−7	10−2 με 10−9	1 cm με 100 km	1014 με 107
Ηλεκτρονική λυχνία	1×10−5 to 1×10−8	10−7 με 10−10	1 με 1,000 km	109 με 106
Κρυογονική αντλία	1×10−7 to 1×10−9	10−9 με 10−11	100 με 10,000 km	107 με 105
Πίεση στη Σελήνη	περίπου 1×10−9	10−11	10,000 km	4×105
Διαπλανητικό διάστημα				11
Διαστρικό διάστημα				1
Διαγαλαξιακό διάστημα				10−6

Δείτε επίσης

• Πίεση

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• http://scitation.aip.org/jvsta/ Αρχειοθετήθηκε 2008-08-21 στο Wayback Machine. Journal of Vacuum Science and Technology A
• http://scitation.aip.org/jvstb/ Αρχειοθετήθηκε 2008-12-01 στο Wayback Machine. Journal of Vacuum Science and Technology B
• www.avs.org American Vacuum Society
• Διαστρικό κενό
• Discussion of the effects on humans of exposure to hard vacuums.