Чем наполнена пустота? | ТМ 1938-06

З. ЭМИ, Рисунки Л. СМЕХОВА

Пустота, которой пользуются в технике и при опытах в физике, называется вакуумом. Фраза эта кажется, на первый взгляд, парадоксальной. Как это можно пользоваться пустотой, да еще в технике? Оказывается, можно и даже необходимо. Без вакуума и вакуумных приборов не было бы электрических лампочек, современных радиоустановок, рентгеновских трубок, усовершенствованных термосов и еще многого другого. Без вакуума невозможно было бы сделать целый ряд очень важных научных открытий, и о многих явлениях природы мы бы не имели никакого представления.

Вопрос о возможности существования пустоты возник на самой заре науки. Много спорили между собой об этом греческие философы. Простой опыт, проделанный без сложной аппаратуры и длинных вычислений, прекратил все споры. Опустили в воду трубку с хорошо пригнанным поршнем, подняли поршень и убедились, что вода, хотя никто ее не тянул и не толкал, поднялась вслед за поршнем. Этот опыт и другие примитивные наблюдения привели древнегреческих философов (а философом тогда назывался всякий человек, изучавший природу) к выводу, записанному у Аристотеля: «Природа не терпит пустоты».

Доктор Арк-Синус повторил опыт древнегреческих естествоиспытателей, доказывающий, что «природа не терпит пустоты». Но он не остановился на этом примитивном опыте, а решил разобрать вопрос до конца.

Много столетий в науке господствовал авторитет Аристотеля, много столетий это положение казалось незыблемым. Даже великий Галилей, опровергший немало ложных аристотелевских истин, строил свою теорию упругости, считая, что существует «сила боязни пустоты». Но этой «силе» осталось уже недолго существовать.

Ученик Галилея, Торричелли, решил повторить старый опыт, но не с водой, а с жидкостью, в 13,6 раза тяжелее воды — со ртутью. Он наполнил ртутью длинную, запаянную с одного конца стеклянную трубку и опустил ее открытый конец в чашечку с ртутью. Первый раз природа не побоялась пустоты: ртуть опустилась до уровня 76 см, оставив вверху трубочки пустое место.

Опыт Торичелли убедил Арк-Синуса в том, что древние заблуждались. Но действительно ли над ртутью в трубке ничего нет? Над этим вопросом глубокомысленному доктору, когда пройдет его первый восторг, придется подумать.

Вначале получение пустоты считали возможным только в опытах такого типа, и пространство над ртутью получило название «торичеллиевой пустоты». Оказалось, что торичеллиеву пустоту можно получить и над водой, только поршень надо поднимать не на 76 см, а в 13,6 раза выше, т. примерно на 10 м. Очевидно, что подъем воды и подъем ртути вызывались одной и той же силой, — силой давления атмосферы на открытую поверхность жидкости. При одном и том же давлении высота столба жидкости зависит от ее плотности.

Даже над водой доктор Арк-Синус сумел получить пустоту, хотя для этого ему пришлось тянуть поршень уже на 10 м. Аристотель ошибался: поднятие воды объясняется не «боязнью пустоты», а давлением атмосферы.

Но действительно ли над жидкостью ничего нет? Очевидно, Торричелли считал так: ртуть опустилась, а воздух в трубку попасть не мог, значит, там, где раньше была ртуть, появилась пустота, вакуум. Но мы теперь хорошо знаем, что над всякой жидкостью в торичеллиевой пустоте существуют пары этой жидкости, давление которых зависит только от температуры. Пар давит на стенки сосуда потому, что он состоит из непрерывно движущихся молекул, сталкивающихся между собой и со стенками. Число молекул в 1 куб. см газа при нормальных температуре и давлении невероятно велико. При 0° и давлении 760 мм оно равно \(2,7\times10^{19}\). Если раскладывать эти молекулы по 100 штук на миллиметр, то получится цепочка, которую можно 200 раз протянуть от Земли до Солнца.

Число молекул в 1 куб. см газа при 0° и 760 мм давления равно \(2,7\times10^{19}\). Доктор Арк-Синус пытался их пересчитать, выкладывая по 100 молекул на 1 мм, он протягивал получающуюся нить между Землей и Солнцем. Вряд ли ему удастся довести это дело до конца, но он, во всяком случае, уже убедился, сколь велико это число.

Однако с уменьшением давления число молекул в торичеллиевой пустоте быстро убывает. Так, при 0° и давлении 0,00016 мм ртутного столба в 1 куб. см торичеллиевой пустоты находится приблизительно 5000 млрд. молекул.

Еще современники Ньютона Отто фон Герике и Роберт Бойль независимо один от другого построили первые насосы, создающие вакуум. Правда, вакуум у них был гораздо хуже торичеллиевой пустоты при 0°, но это был первый технический вакуум.

Электрическая лампочка — первое крупное изобретение, создавшее электровакуумную промышленность. Для того чтобы тонкий угольный или металлический волосок не сгорел в воздухе, этот воздух надо убрать, надо создать в стеклянном баллончике пустоту, вакуум. Это дело не легкое и требует особой техники и крупных затрат. Когда вы покупаете пустотную электрическую или радио лампочку, вы платите не только за те материалы, из которых она сделана, но и за пустоту, запаянную в стеклянный баллончик.

При разрежении, созданном в радиолампочке, в 1 куб. см находится 300 млн. молекул. Доктор Арк-Синус убедился в этом на собственном опыте.

Техника вакуума в наше время шагнула далеко вперед. В современных радиолампочках давление воздуха равно примерно 0,000001—0,0000001 мм ртутного столба. Это значит, что давление в них примерно в миллиард раз меньше атмосферного. Но и при таких низких давлениях молекул еще очень много — примерно 300 млн. на 1 куб. см. Даже в предельном достигнутом в лабораториях вакууме на 1 куб. см приходится еще около 3 млн. молекул — это самая «пустая пустота», полученная на Земле (при обычных температурах).

Пустота, оказывается, необходима в ряде отраслей современной техники. Но создать пустоту — дело нелегкое. Оно требует особого оборудования и больших затрат. Доктор Арк-Синус знает, как много молекул в воздухе при обычном давлении, и его не удивляет, что их удаление из приборов требует немалых трудов.

Но и за пределами Земли, в межзвездном пространстве, нет совершенного вакуума. По подсчетам астрономов, в межзвездном пространстве одна молекула приходится примерно на 15 куб. см, т. е. в среднем расстояние от одной молекулы до другой не превышает 2—3 см.

В поисках совершенного вакуума доктор Арк-Синус отправился в межзвездное пространство. Но и в нем оказалось примерно 60 молекул на 1 л.

Следовательно, в природе нет пустоты, но, как видит читатель, смысл этого совсем другой, чем смысл утверждения Аристотеля, будто «природа не терпит пустоты».

Доктор глубокомысленных наук, известный профессор Арк-Синус, выяснив вопрос о смысле и природе «пустоты», что стоило ему немало трудов, теперь отдыхает Но при изучении вакуума он столкнулся со столькими интересными вопросами, что в самом непродолжительном времени собирается предпринять новое исследование.