miniatyr|Vakuumpump Vakuum (även tomrum) är ett fysikaliskt uttryck för ett utrymme som inte innehåller någon materia alls. Ordet vakuum kommer från det latinska ordet vacuus, som betyder "tom". I ett teoretiskt perfekt vakuum finns inga materiapartiklar alls, vilket är omöjligt att uppnå i praktiken. I vardagslag betyder vakuum en volym där trycket är mycket mindre än atmosfärstrycket. Inom fysiken sägs en rymd befinna sig i vakuum, när trycket är mindre än en tusendel av atmosfärstrycket, vilket är användbart i många sammanhang som exempelvis i barometrar och katodstrålerör i TV-apparater. I vardagslag definieras även vakuum till att mena ett relativt måttligt undertryck, i sammanhang som till exempel vakuumslangar eller industriella vakuumpumpar, trots att dessa inte är i närheten av att åstadkomma vakuum i fysikalisk mening.
En fysiker kan tala om ett idealt testresultat som skulle kunna uppstå i ett perfekt vakuum, då ofta kallat "vakuum" eller "free space" och kan använda termen partiellt vakuum som refererar till den reella vakuumnivån. Vakuumnivån syftar till hur nära det partiella vakuumet ligger från ett perfekt vakuum, och följaktligen innebär då ett lägre gastryck ett ökat vakuum. En vanlig dammsugares sugförmåga kan minska lufttrycket med cirka 20 procent. I industriella och laboratoriesammanhang är mycket högre vakuumnivåer möjliga. Vakuumkammare med ultrahögvakuum, vanliga inom kemi, fysik och teknik, arbetar under en biljondel (10−12) av atmosfärstrycket och kan nå ≈100 partiklar/cm3. Den yttre rymden har också ett ultrahögvakuum, med endast några väteatomer per kubikmeter i genomsnitt. Källan uppskattar densiteten till för den lokala gruppen. En atommassenhet är , för cirka 40 atomer per kubikmeter. Även om varenda atom och partikel skulle kunna avlägsnas från en volym, skulle det ändå inte vara helt tomt på grund av vakuumfluktuationer, mörk energi, och andra fenomen i kvantfysiken. Vakuum blev ett värdefullt industriellt verktyg på 1920-talet i samband med vakuum i glödlampor och lysrör och ett brett spektrum av vakuumteknik har blivit tillgängligt. Den senaste tidens utveckling av bemannade rymdfärder har höjt intresset för effekterna av vakuum på människors hälsa och på livsformer i allmänhet. Om en levande varelse skulle utsättas för vakuum i mindre än 90 sekunder skulle den återhämta sig helt och snabbt. Vid längre exponering blir skadorna på lungorna dödliga.
Historia miniatyr|100px|vänster|Torricellis rörbarometer var ett tidigt påvisande av vakuum i laboratoriesammanhang.
Vakuum har varit ett vanligt ämne i den filosofiska debatten sedan antikens Grekland och Aristoteles var den som först uttalade sig om vakuum. Enligt honom skydde naturen vakuum som var ett onaturligt tillstånd och som inte kunde existera. Antikens grekiska filosofer frågade sig "hur ingenting skulle kunna vara någonting?". Platon fann likaså tanken på ett vakuum otänkbart och det passade inte in i hans idévärld. Senare grekiska filosofer trodde att ett vakuum kunde existera utanför kosmos, men inte inom det. Heron från Alexandria var den första att ifrågasätta denna tro under det första århundradet i vår tideräkning, men hans försök att skapa ett konstgjort vakuum misslyckades..
I den romerska staden Pompeji hittades en dubbelverkande sugpump, som visar att romarna hade tillgång till tekniken vid denna tid. Den användes för att pumpa vatten och hade två cylindrar, som var i arbetsfas växelvis. I sugfasen, öppnades en lägre ventil, som möjliggjorde vattenfyllning i cylindern, medan den övre ventilen förblev stängd. När kolven gick ner, stängde den nedre ventilen och den övre öppnade.Institute and Museum of the History of Science. Pompeii: Nature, Science, and Technology in a Roman Town Den persiske fysikern och filosofen Al Farabi (872–950), gjorde ett experiment avseende förekomsten av vakuum, där han undersökte handhållna kolvar i vatten. Han drog slutsatsen att luftens volym kan expandera för att fylla det tillgängliga utrymmet och hävdade att begreppet perfekt vakuum var osammanhängande.Arabic and Islamic Natural Philosophy and Natural Science, Stanford Encyclopedia of Philosophy Fysikern Alhazen (965-1039) ogillade denna tanke och stödde istället att ett tomrum kunde finnas. Genom att använda geometri visade Alhazen matematiskt ett tänkt tredimensionellt tomrum mellan de inre ytorna på ett vattenfyllt rör. Biruni hävdade också att "det inte finns några observerbara bevis för att utesluta möjligheten av tomrum " .
Den aristoteliska teorin kring vakuum bestod dock långt in i modernare tider. 1654 utförde Torricelli ett experiment varmed han påvisade något som måste vara vakuum. Han vände ett kvicksilverfyllt glasrör upp och ned i en behållare, som även den innehöll kvicksilver. Han såg då att kvicksilverytan sjönk en bit i röret som då lämnade ett tomrum kvar ovanför kvicksilvret. Tomrummet i röret stred mot Aristoteles etablerade lära, men resultatet från ett kompletterande experiment av Blaise Pascal gav vakuumhypotesen en vidare acceptans.
1654 uppfann också Otto von Guericke den första omskrivna vakuumpumpen och genomförde sitt berömda experiment Magdeburgs halvklot, som visade att hästspann inte kunde skilja två halvklot där luften hade evakuerats.Encyclopedia Britannica:Otto von Guericke Robert Boyle förbättrade Guerickes design och utförde experiment på egenskaperna hos vakuum. Robert Hooke hjälpte också Boyle att tillverka en luftpump som bidrog till att producera vakuum. Studien av vakuum förföll fram till 1850 när August Toepler uppfann Toeplerpumpen. Heinrich Geissler uppfann 1855 kvicksilverluftpumpen och uppnådde ett rekordvakuum på cirka 10 Pa (0,1 Torr). Ett antal elektriska egenskaper blev observerbara på denna vakuumnivå och detta förnyade intresset för vakuum. Kort efter detta uppfann Hermann Sprengel den så kallade Sprengelpumpen 1865.
Under 1800-talets studier inom termodynamiken och den statistiska fysiken, klargjordes genom experiment av Jožef Stefan att energidensiteten hos det elektromagnetiska fältet är proportionell mot fjärdepotensen av temperaturen. Fem år senare härledde Ludwig Boltzmann detta teoretiskt. I denna teori fylls en volym av värmestrålning, denna värmestrålning skulle enligt teorin svara på kompression på ett sätt liknande en gas. Sålunda kräver perfekt vakuum en nedkylning till absoluta nollpunkten, då ingen värmestrålning (enligt teorin) finns. Detta teoribygge skulle visa sig ge problem med energidensiteten och spektralfördelningen för svartkroppsstrålning. Energidensiteten gick mot oändligheten och spektralfördelningen kunde endast förklaras med två olika formler, en för höga temperaturer (Raleigh–Jeans lag) och en för låga temperaturer (Stefan–Boltzmanns lag).
År 1900 härledde Max Planck en formel för energin hos elektromagnetisk strålning (se kvantmekanik) där han antog en minsta enhet för energin, så kallade kvantum (pluralis kvanta). Plancks uttryck för energin hos elektromagnetiska strålningen ges av
Den sista termen i Plancks formel, nollpunktsstrålningen, innebär med sitt temperaturoberoende att det alltid finns energistrålning oavsett vad temperaturen är. Då formeln stämmer med de klassiska formlerna i gränsen då antogs Plancks formel för riktig.
Nollpunktsstrålningen förklarar bland annat Lambskiftet i väteatomen och oförmågan hos He-4 att övergå i fast form vid normalt lufttryck. Andra mätbara effekter är Casimireffekten.
Användning miniatyr|En större vakuumkammare miniatyr|En glödlampa innehåller ett partiellt vakuum, vanligen återfylld med argon, som skyddar volframelektroden Vakuum är användbart i en mängd olika processer och apparater. Dess första utbredda användningen var i glödlampan, för att skydda glödtråden från kemisk nedbrytning. Den kemiska tröghet som produceras av ett vakuum är också användbart för elektronstrålesvetsning, kalltryckssvetsning, vakuumförpackning och vakuumfritering. Ultrahögvakuum används i studiet av atomärt rena substrat, eftersom bara ett mycket högt vakuum kan bevara atomära substratytor under en relativt lång tid (i storleksordningen minuter till dagar). Hög- till ultrahögvakuum bortför luft, vilket gör att partikelstrålar kan deponera eller ta bort material utan kontaminering. Det är principen bakom CVD, PVD och torretsning som är väsentliga metoder för tillverkning av mikrochips, halvledare, optiska beläggningar och inom ytkemin. Minskningen av konvektion ger värmeisolering i termosflaskor. Vakuum sänker kokpunkten för vätskor och främjar låg temperaturutgasning som används i frystorkning, limpreparering, destillering, metallurgi och processrengöring. De elektriska egenskaperna i vakuum gör elektronmikroskop och elektronrör möjliga ihop med katodstrålerör. Elimineringen av luftmotståndet är användbart för energilagring genom svänghjul och ultracentrifuger. Industriella vakuumpumpar har ett brett utbud av applikationer, allt från att skapa sugluft till att rengöra, bortföra eller fördela vatten, lack eller färg.
Vakuumdrivna maskiner I Newcomens ångmaskin används vakuum istället för tryck för att driva en kolv. På 1800-talet användes vakuum för framdrivning av Brunels experimentella atmosfäriska järnväg. Vakuumbromsarna användes tidigare allmänt på tåg i Storbritannien, men har numera ersatts med tryckluftsbromsar.
Insugningsundertryck kan användas för att driva biltillbehör. Den mest kända tillämpningen är vakuumservo, som används för att minska pedaltrycket vid bromsning. Tidigare har det även funnits vakuumdrivna vindrutetorkare och bränslepumpar.
Yttre rymden
miniatyr|Yttre rymdens tomrum är inte ett perfekt vakuum, utan en svag plasma med laddade partiklar och elektromagnetiska fält. Den yttre rymden har en mycket låg densitet och är nära ett perfekt fysiskt vakuum. Det har ingen faktisk friktion, vilket gör att stjärnor, planeter och månar kan röra sig fritt längs ideala gravitationella banor. Men ingen vakuum är helt perfekt, inte ens i den interstellära rymden, där det fortfarande finns några väteatomer per kubikcentimeter.
Stjärnor, planeter och månars omgivningar hålls genom gravitation och i de fall som det finns atmosfär har den ingen tydligt avgränsad gräns: densiteten av atmosfärisk gas minskar med avståndet från objektet. Jordens atmosfäriska tryck sjunker till ungefär 1 Pa (10−3 Torr) på 100 kilometers höjd vid Karmanlinjen, som är en vedertagen definition av gränsen mot yttre rymden. Utanför denna linje blir det isotropa gastrycket snabbt obetydligt jämfört med strålningstrycket från solen och det dynamiska trycket från solvinden. Termosfären har stora variationer av tryck, temperatur och sammansättning och varierar kraftigt på grund av rymdvädret. Astrofysiker föredrar att använda densitetsgradienter för att beskriva dessa miljöer, i enheten partiklar per kubikcentimeter.
Den atmosfäriska densiteten inom de första hundra kilometerna över Karmanlinjen är dock fortfarande tillräcklig för att ge ett betydande luftmotstånd på satelliter. Många artificiella satelliter i en så kallad låg bana runt jorden får kompensera sin bana emellanåt med styrraketer för att upprätthålla omloppsbana. Luftmotståndet här är tillräckligt lågt för att det teoretiskt skulle kunna övervinnas genom strålningstrycket på ett solsegel, ett föreslaget framdrivningssystem för interplanetära resor. Planeter har en alltför stor massa, för att deras banor ska kunna påverkas märkbart av dessa krafter, även om deras atmosfärer urholkas av solvindar.
Hela det observerbara universumet är fyllt med ett stort antal fotoner, den så kallade kosmiska bakgrundsstrålningen och sannolikt ett motsvarande stort antal neutriner. Temperaturen i denna strålning är ungefär 3 K eller -270 grader Celsius.
Effekter på levande varelser miniatyr|Målningen An Experiment on a Bird in the Air Pump från 1768 av Joseph Wright of Derby föreställer ett experiment som Robert Boyle gjorde 1660.