Насколько пуст космос на самом деле — и можно ли создать такой вакуум на Земле

Мы привыкли представлять космос как идеальную пустоту. В фильмах космические корабли скользят в абсолютной черноте, а вокруг них — ничто. Ни воздуха, ни пыли, ни малейшего намека на материю. Но физика дает более интересный ответ: космос вовсе не является абсолютной пустотой. Более того, в некоторых лабораториях на Земле ученые умеют создавать вакуум, сравнимый с космическим, а иногда даже более глубокий.

Чтобы понять, насколько это удивительно, нужно сначала разобраться, что вообще означает «пустота» для физика.

Что такое вакуум на самом деле

В повседневной речи вакуумом называют пространство, где нет воздуха. Но в физике все немного тоньше. Вакуум это состояние, в котором очень мало частиц вещества, но не обязательно ноль.

Поэтому степень «пустоты» измеряют довольно просто: считают, сколько атомов или молекул находится в единице объема.

У поверхности Земли, на уровне моря, воздух кажется нам почти невесомым. Но на самом деле он невероятно плотный по космическим меркам. В одном кубическом сантиметре воздуха содержится примерно 2,5 × 10¹⁹ молекул.

Это около двадцати миллиардов миллиардов частиц в объеме размером с небольшой кубик сахара.

Какой вакуум создают ученые

Современная техника позволяет почти полностью удалить газ из герметичных камер. В научных лабораториях широко используется так называемый сверхвысокий вакуум.

В таких установках в кубическом сантиметре остается примерно 10⁴–10⁶ молекул. По сравнению с обычным воздухом это уменьшение плотности примерно в триллионы раз.

Такие условия необходимы во многих областях науки: при исследовании наноматериалов, в экспериментах с холодными атомами, а также в ускорителях частиц.

Космос рядом с Землей

Может показаться, что стоит лишь подняться за пределы атмосферы и мы окажемся в абсолютной пустоте. Но даже на орбите космических станций вещество полностью не исчезает.

Например, Международная космическая станция летает на высоте около 400 километров. Здесь атмосфера уже чрезвычайно разрежена, но отдельные атомы все еще присутствуют.

Плотность газа на этой высоте обычно составляет примерно 10⁷–10⁹ частиц на кубический сантиметр.

Это очень мало, но все же больше, чем в лучших лабораторных вакуумных камерах. Именно поэтому орбита станции постепенно снижается: редкие атомы атмосферы создают крошечное сопротивление.

Межпланетное пространство

Если удалиться от Земли дальше, мы окажемся в среде, заполненной солнечным ветром, потоком заряженных частиц, непрерывно вылетающих из атмосферы Солнца.

Возле орбиты Земли в среднем присутствует всего 5–10 протонов на кубический сантиметр.

Это уже почти невероятная пустота. Представьте себе кубик сахара, внутри которого находится всего несколько частиц вещества.

Пространство между звездами

Еще более разреженной является межзвездная среда, газ и пыль, заполняющие пространство между звездами в галактиках.

В среднем здесь приходится примерно 0,1–1 атом на кубический сантиметр.

Но даже это не предел. В некоторых горячих областях межзвездного пространства плотность может снижаться до 0,001 атома на кубический сантиметр. То есть один атом может «приходиться» на объем размером с небольшой стакан.

Самый чистый вакуум на Земле

Чтобы изучать элементарные частицы, физикам приходится создавать невероятно чистые вакуумные условия. Один из рекордных примеров, труба Большого адронного коллайдера, расположенного на границе Швейцарии и Франции.

Внутри его кольца длиной 27 километров разгоняются протоны, движущиеся почти со скоростью света. Даже случайное столкновение с молекулой газа могло бы разрушить эксперимент.

Поэтому внутри труб поддерживается давление около 10⁻¹³ атмосферы. Это означает, что в кубическом сантиметре остается всего сотни частиц. Такой вакуум сравним с межзвездным пространством, а иногда даже превосходит его по степени разреженности.

Почему космос кажется совершенно пустым

Если в космосе все же есть частицы, почему мы их не замечаем? Ответ связан с масштабами.

Даже один атом на кубический сантиметр это крайне мало. Расстояния между такими атомами могут составлять сантиметры или даже десятки сантиметров. Для космических расстояний это практически ничто.

Тем не менее суммарно этой разреженной материи в галактике очень много. В нашей галактике Млечный Путь межзвездный газ содержит массу, сравнимую с массой миллиардов звезд.

Пустота, которую мы научились создавать

Таким образом, космос нельзя назвать абсолютно пустым. Скорее это почти идеальный, крайне разреженный газ, растянутый на колоссальные расстояния.

И все же есть в этом факте любопытный парадокс. Чтобы исследовать фундаментальные свойства материи, ученым пришлось научиться создавать условия, которые по своей «пустоте» почти не уступают пространству между звездами.

Получается, что в некоторых уголках земных лабораторий пустота может быть столь же глубокой, как и в космосе — а иногда даже глубже. Именно в этих искусственно созданных «карманах пустоты» сегодня изучают самые фундаментальные кирпичики Вселенной.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях