Введение
Физическим вакуумом принято называть часть пространства, из которой удалено вещество. При рассмотрении различных явлений, в физическом вакууме, подразумевается, что объем, в котором они происходят меньше данного объема физического вакуума. Однако известно, что даже межгалактический вакуум, на несколько порядков превосходящий самый высокий лабораторный вакуум, можно охарактеризовать объемом в несколько кубических сантиметров, ограниченным микро или макро частицами. В земных лабораторных условиях экспериментатор имеет дело с вакуумом, с характеристическим объемом, исчисляемым в лучшем случае кубическими миллиметрами (см. табл.1)[1].
Таблица 1
Средняя молекулярная концентрация газа и соответствующее межмолекулярное расстояние.
Давление газа (Па) Средняя молекулярная концентрация (молекул/м3) Среднее межмолекулярное расстояние (м)
105 2,43*1025 3,46*10-8
102 2,43*1022 3,46*10-7
10-1 2,43*1019 3,46*10-6
10-4 2,43*1016 3,46*10-5
10-7 2,43*1013 3,46*10-4
10-10 2,43*1010 3,46*10-3
10-13 2,43*107 3,46*10-2
Под характеристическим объемом вакуума (Vi) здесь понимается объем куба с ребром равным среднему межмолекулярному расстоянию (Sa)(см. рис.1). Т.к. для большинства случаев, скорости молекул весьма малы по сравнению со скоростью света, уместно рассмотреть квазистатическое расположение молекул в некотором объеме газа.
Рис.1
Каждая молекула или атом, являясь источником сильного электрического поля, в силу принципа неопределенности, согласно [2-5] порождает флуктуации нулевого электромагнитного поля вакуума.
Частотный спектр этих колебаний будет ограничен со стороны нижних частот размером молекул (Sm), который много меньше межмолекулярных расстояний. Т.е. наибольшая длина волны (λmax) по порядку величины будет равна размеру молекулы данного вида газа:
λmax ≈Sm ,
и не зависит от давления газа или характеристического объема (Vi). Излагая иначе, частотные спектры флуктуаций нулевого электромагнитного поля вакуума, двух объемов идеального газа находящегося под разным давлением равны.
Т.к. частотные спектры энергий вакуумных флуктуаций, проявляющих себя в реальном мире как электромагнитные, весьма близки, то и равновесные температуры двух объемов газов находящихся под различным давлением должны быть равны.
В реальных условиях газ не безграничен, он либо находится в сосуде, либо имеет внутреннюю границу, например в виде макроскопической частицы вещества. Пусть в межзвездном газе имеется твердое тело размером Sb≥ Sa. На границе этого тела в вакууме будут возникать флуктуации поля, с максимальной длиной волны определяемой уже не размерами молекул газа, а характеристическим объемом вакуума, т.е. λmax ≈Sa, т.к. среднее расстояние молекул от стенки равно среднему межмолекулярному расстоянию. Т.е. частотный спектр колебаний расширится от микро до макроскопических (Sa для космоса сантиметры) длин волн. Очевидно, что более широкий спектр колебаний будет соответствовать и большим энергиям, материализующимся в атомах на поверхности тела и в газе. Т.е. в присутствии твердого тела равновесная температура газа с меньшим давлением (большим Sa) будет выше равновесной температуры газа с большим давлением.
В настоящее время имеются способы математического описания силы Казимира, без привлечения понятия нулевого электромагнитного поля вакуума [6], но они и не опровергают существующей ранее теории.
Описание эксперимента
Несмотря на то, что изложенные выше соображения должны быть справедливы для любых газов и твердых тел, для достижения максимальной разности равновесных температур в реальном опыте, необходимо использовать вещества, обеспечивающие наибольшую эффективность. Последняя достижима при обеспечении веществом стенки сосуда противоречивых требований, с одной стороны, кристаллическая решетка стенки должна иметь максимальную напряженность поля на поверхности, с другой, не должна отражать электромагнитное воздействие в широком частотном диапазоне. Т.е. стенка должна быть полупроводящей и иметь минимальную ширину запрещенной зоны. Вещество, обладающее такими свойствами - углерод в виде графита. Т.к. графит крайне не подходит для изготовления вакуумных сосудов, целесообразно поместить его в сосуде в виде пластины. Вид газа в несоизмеримо меньшей степени будет влиять на результат опыта, поэтому использована газовая смесь – воздух (105Па), либо смесь т.н. остаточных газов (10-4Па) сосуда и вакуумных насосов.
Сущность эксперимента, состоящая в измерении разности температур двух тел, поясняет рис.2.
Рис.2
В эвакуированной камере (С) имеются два сосуда (V1,V2), содержащие газ под различными давлениями (105 и 10-4 Па). Сосуды и тепловые экраны (S) имеют высокую отражающую способность, последние соединены перемычкой имеющей высокую теплопроводность (J). Внутри сосудов расположены графитовые пластины. Для измерения разности температур сосудов предусмотрена термопара (T), снабженная тепловыми контактами, имеющими ответные части на сосудах. Имеется возможность отведения термопары от сосудов. Все устройство находится в непрерывном вращении относительно вертикальной оси симметрии, с целью перемешивания газа в камере, используемого как теплоизолятор. Термо э.д.с.(далее т.э.д.с.), контролируется измерительным прибором (M). Более подробное описание установки приведено в техническом описании эксперимента (п.2.1.)
Каждый опыт состоял из следующих процедур:
1) Длительная выдержка сосудов во вращении, до достижения термодинамического равновесия системой и его контроль, путем оценки приращений разности температур за определенный промежуток времени.
2) Отведение термопары, для уменьшения тепловой связи между сосудами и обеспечения накопления тепловой энергии сосудами.
3) Контроль «теплового нуля» термопары.
4) Подведение термопары и определение разности температур как отношение приращений показаний измерителя при отведенной термопаре к приращениям показаний, за определенный промежуток времени, при подведенной термопаре.
При изменении температуры корпуса камеры ±0,1̊, не зависимо от направления ее изменения, результатом опытов явилось обнаружение разности равновесной температуры 0,003̊ ±0,002̊. Причем большей температурой обладал сосуд с меньшим давлением газа. Данные получены при теплопроводности теплоизолирующего газа 0,026 Вт/м*К и площади графитовых пластин 0,02м2.
Более подробно условия проведения опытов приведены в приложении.
- Код ссылки на тему, для размещения на персональном сайте | Показать
