Vacuum - Shinkuu (English spelling)

Japanese: 真空 - しんくう（英語表記）vacuum

A vacuum is a space that is completely devoid of matter. However, its meaning varies greatly depending on the standpoint from which the vacuum is treated.

Vacuum as a technical term

What is a vacuum in terms of the space and time scales in which we live? In general, in technical terms, a vacuum refers to a highly reduced pressure state obtained by evacuating the gas in a certain container to the outside of the container, and the pressure is below atmospheric pressure. The degree of the reduced pressure is expressed as the degree of vacuum, and the pressure indicated by the residual gas is used. The international unit of pressure is the force of Newton (N) per square meter ( ^m2 ), or Newton per square meter (N/ ^m2 ), and is called the Pascal (Pa). The standard atmospheric pressure is 101,325 Pascals (1013.25 hectopascals, unit hPa). Meanwhile, the practical unit of vacuum has been the millimeter of mercury (mmHg), which is the atmospheric pressure supporting a 1 millimeter column of mercury. This unit is called Torr (also called Torr). The unit torr was named in honor of the Italian physicist E. Torricelli, who first discovered a vacuum in his experiments with a mercury column in the 17th century, and has been in common use until recently. However, because it is not part of the International System of Units (SI), pascals are now becoming the mainstream unit (1 Torr = 133.322 Pa).

Since around 1960, the technology to create and measure high-quality vacuum conditions has rapidly advanced and spread, and vacuum has become an essential technology not only in science and engineering research, but also in many high-tech industries such as vacuum metallurgy, vacuum deposition, solid-state electronics, and high-quality and high-performance material manufacturing. The degree of vacuum is roughly classified according to the pressure of the residual gas into low vacuum (10 ² Pa or more), medium vacuum (10 ² to 10 ^-1 Pa), high vacuum (10 ^-1 to 10 ^-5 Pa), ultra-high vacuum (10 ^-5 to 10 ^-8 Pa), and extremely high vacuum (10 ^-8 Pa or less). Different pumps are used for each pressure range, but to create ultra-high and extremely high vacuums, turbomolecular pumps, sputter ion pumps, cryopumps, etc. are used in combination with cold traps that use liquid helium or other refrigerants. In this case, it is essential to heat the vacuum vessel to a high temperature to desorb water molecules, hydrogen molecules, etc. that are adsorbed or absorbed on the inner surface of the vessel (bake-out). It is also important to purify the inner surface of the vacuum vessel at the molecular level and to minimize gas emission from the inner wall of the vacuum vessel. To measure the degree of vacuum in ultra-high and extreme high vacuum, various special types of ionization vacuum gauges and mass spectrometers for residual gas have been developed. The highest degree of vacuum recorded in laboratories is said to be about 10 ^-12 to 10 ^-13 Pa, but the reality is that there is no way to accurately measure the degree of vacuum (vacuum gauges) below that level. However, even in such an extreme high vacuum state, there are tens to hundreds of atoms of residual gas per cubic centimeter (cm ³ ).

Now, let's expand the scale of space and look at the universe. Even in the vacuum of outer space, interstellar gas exists. The atomic density of the Orion Nebula, a typical nebula (located hundreds to thousands of light years from Earth), is 10,000 to 100,000 atoms per cubic centimeter, which is equivalent to a pressure of 10 ^-11 to 10 ^-10 Pascals. In the even more distant space between galaxies, the number of atoms drops drastically, with a density of less than one part per million per cubic centimeter, or a pressure of less than 10 ^-21 Pascals. This is a space that is extremely close to a true vacuum.

[Hiroyuki Sakagami March 21, 2017]

Vacuum Physics

So what does vacuum mean in physics? First, what are the properties of a space with zero residual gas? J.C. Maxwell, the founder of electromagnetism, and H.R. Hertz, the discoverer of radio waves, also believed in the existence of some kind of matter (aether) as a medium for transmitting electromagnetic waves (light and radio waves). It was only after Einstein's theory of relativity that the existence of aether was denied and the physical meaning of vacuum became clear. From the perspective of the general theory of relativity, a complete vacuum that excludes matter means a four-dimensional space-time that adds one dimension of time to the three dimensions of space. Moreover, the transmission of distortion in this vacuum (space-time) generates gravity. In other words, gravity is a ripple in the vacuum (space-time). It has gradually become clear with the development of quantum mechanical field theory that the vacuum has the ability to carry electric and magnetic fields by its very nature. In 1928, British physicist P. A. M. Dirac derived a new relativistic equation of motion describing electrons, called the "Dirac equation," and created "relativistic quantum mechanics." He predicted the existence of the positron, an antiparticle with the same mass as an electron but the opposite charge. The existence of this antiparticle was discovered in 1932 by American atomic physicist C. D. Anderson in a cloud chamber as a pair of electrons and positrons. Dirac's relativistic equation of motion led to the conclusion that the vacuum is a negative energy state filled with electrons. This means that if energy is simply injected into the vacuum from outside, electrons will be excited to positive energy and fly out. After the negatively charged electrons fly out, a positively charged hole is created. This is exactly what a positron is. The vacuum was discovered by Torricelli and others in the 17th century. Surprisingly, it was discovered that the vacuum, a world of nothingness (zero), is actually a dynamic world (space-time) in which particles are created by injecting energy.

Now let's expand the time scale even further. According to the Big Bang theory, which says that everything began with the Big Bang, the universe was born from a huge explosion 13.8 billion years ago, and began to expand and cool rapidly at the same time. 10 ^-44 seconds after the Big Bang, the first vacuum phase transition occurred. As the temperature dropped (although it was still an incredible 10 ³² K. K = Kelvin, 0°C = 273 K), symmetry was broken and gravity branched off from the unified force (primordial force). The universe moved from the Planck world (the primordial world where gravity was quantized) to the world of grand unification. At that time, space-time was released from quantization, and the primordial vacuum changed from a multidimensional one to the four-dimensional (three spatial dimensions + one time dimension) vacuum (space-time) that we currently live in. After 10 ^-36 seconds, the temperature drops to 10 ²⁸ K, and the second vacuum phase transition occurs, this time separating the strong force from the grand unified forces (strong, electromagnetic, and weak). At this time, the universe had three fundamental forces: gravity, the strong force, and the unified electromagnetic and weak forces. The third vacuum phase transition occurs after 10 ^-11 seconds, and the vacuum symmetry decreases further due to a further drop in temperature (10 ¹⁵ K), and the electromagnetic and weak forces split. This results in the four fundamental forces we observe today (gravity, strong, electromagnetic, and weak forces). After another 10 ^-4 seconds, the temperature drops to 10 ¹² K, and the fourth vacuum phase transition occurs, binding elementary particles, quarks, into hadrons that interact with the strong force. As a result, elementary particles are classified into hadrons, which consist of mesons and baryons (heavy particles), and leptons, which consist of point-like particles such as electrons and neutrinos. The world we currently live in is cold, saturated with background radiation at 2.7 K, 4.3 x ¹⁰¹⁷ seconds (13.8 billion years) after the Big Bang.

This is one of the most cutting-edge theories on the creation of the universe. The universe is said to have been born from nothing, and it is surprising that the evolution of the nature of the vacuum at the time of its creation is closely related to the ultimate structure of matter today.

[Hiroyuki Sakagami March 21, 2017]

Atoms and Vacuum

Since ancient times, the concept of vacuum has been inseparable from atomic theory. The ancient Greek atomist Democritus believed that the world is made up of countless tiny atoms moving through a void, and that the existence of a void is as certain as the existence of atoms. On the other hand, Aristotle, who rejected atomic theory and considered matter to be a continuum, denied the existence of a void as irrational. Although some Alexandrian scientists inherited the atomic theory and conducted experimental research on gases, Aristotle's academic authority banished atoms and vacuum from the world of physical science for about 2,000 years until modern times. In medieval scholastic philosophy, a vacuum was believed to be impossible in nature, and various phenomena caused by atmospheric pressure were explained by the phrase "nature abhors a vacuum."

[Masao Uchida]

Vacuum demonstration

Ancient atomic theory was revived by people in the 16th and 17th centuries who criticized scholastic philosophy and prepared the way for modern science. However, their arguments were also based entirely on speculation, and although tiny vacuums exist between atoms, they did not believe that there could be a large vacuum that could be sensed. Some, like Descartes, did not recognize the existence of a vacuum, believing that all space is filled with minute particles. He believed that the essence of matter lies in geometrical extension, and that particles can be divided infinitely.

Torricelli, a student of Galileo, was the first to actually create a vacuum, free from such speculative arguments. In 1643, he performed the famous "Torricelli Experiment," which clarified the existence of a vacuum and the effect of atmospheric pressure. A few years later, Torricelli's views were more fully proven by the Frenchman Pascal. Apart from them, the German Guericke created a vacuum pump around 1650 and succeeded in evacuating a hollow sphere made of bronze or glass. This pump was a new machine that could freely create a vacuum without relying on Torricelli's method. He demonstrated the strength of atmospheric pressure in the famous "Magdeburg Hemisphere Experiment," and investigated combustion in a vacuum, the propagation of sound, and the respiration of small animals. These experiments were widely reported, and vacuum experiments became a fad in the mid-17th century. Thus, the existence of a vacuum as a space from which air is excluded became beyond doubt.

[Masao Uchida]

High Vacuum and Modern Physics

Guericke's type vacuum pump underwent various improvements and became a common piece of equipment in scientific laboratories by the 18th century. It is thought that the degree of vacuum it could produce was at most 1 to 10 ^-1 mmHg, but from the second half of the 19th century onwards, Geissler and Hermann Sprengel (1834-1900) invented efficient vacuum pumps using mercury, making it possible to obtain high vacuums of over 10 ^-4 mmHg. These pumps were used in research into vacuum discharges, which eventually led to the discovery of the Edison effect from the incandescent light bulb, and X-rays from research into cathode rays. Furthermore, the vacuum tube, invented in 1904, marked the beginning of the development of 20th century electronics.

In the 20th century, even higher vacuums could be achieved with the use of diffusion pumps, which are the basis for modern physics experimental tools such as particle accelerators, and have also come into widespread use in technical applications such as vacuum metallurgy, vacuum deposition, and vacuum distillation.

[Masao Uchida]

"Vacuum Technology Handbook" edited by Kanemochi Toru (1990, Nikkan Kogyo Shimbun)" ▽ "Ultra-High Vacuum Experiment Manual" edited by the Japan Vacuum Society (1991, Nikkan Kogyo Shimbun)" ▽ "Vacuum Technology and Its Physics" by TA Delchar, translated by Ishikawa Kazuo (1995, Maruzen)" ▽ "Vacuum Terminology Dictionary" edited by the Japan Vacuum Industry Association (2001, Industrial Research Association)" ▽ "Easy-to-understand Vacuum Technology" by Komiya Muneharu (2002, Ohmsha)" ▽ "The Story of Vacuum" by Iijima Tetsuho (2003, Japanese Standards Association)" ▽ "What is a Vacuum? - Its Infinitely Rich True Face" by Hirose Tatsunari (Kodansha, Bluebacks)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

真空、それは物質がまったく存在しない空間である。しかし、その意味合いは真空を扱う立場によって大きく異なってくる。

技術用語としての真空

われわれが生活している空間と時間の尺度において、真空とはいかなるものか。一般に技術用語で真空といえば、一定の容器内の気体を容器外に排気して得られる高度の減圧状態をさし、その圧力は大気圧以下である。その減圧状態の度合いは、真空度として表され、残留気体の示す圧力を用いる。圧力の国際単位は1平方メートル（m²）当りの力ニュートン（N）、すなわちニュートン毎平方メートル（N/m²）であり、パスカル（Pa）と名づけられている。標準の大気圧は10万1325パスカル（1013.25ヘクトパスカル、単位hPa）である。一方、真空度の実用的な単位として、1ミリメートルの水銀柱を支える気圧、水銀柱ミリメートル（mmHg）が使われてきた。この単位をトル（Torr、トールともいう）とよぶ。トルは17世紀に水銀柱の実験で最初に真空を発見したイタリアの物理学者E・トリチェリを記念して命名された歴史的な経緯もあり、最近まで一般的に使われてきたが、国際単位系（SI）でないため現在はパスカルが主流になりつつある（1Torr＝133.322Pa）。

　1960年ころから、質のよい真空状態を作成したり測定したりする技術が急速に進歩・普及し、理工学の研究ばかりでなく、真空冶金(やきん)、真空蒸着、固体電子工業、高品質・高機能の材料製造など、多くのハイテク産業にとって、真空は不可欠の技術となった。真空度は残留気体の圧力で大まかに、低真空（10²Pa以上）、中真空（10²～10^-1Pa）、高真空（10^-1～10^-5Pa）、超高真空（10^-5～10^-8Pa）、極高真空（10^-8Pa以下）と分類される。それぞれの圧力領域で使うポンプは異なるが、超高真空・極高真空をつくるには、ターボ分子ポンプ、スパッタイオンポンプ、クライオポンプなどが、液体ヘリウムなどの冷媒を使うコールド・トラップと組み合わせて用いられる。この際、真空容器を高温に熱して、容器内面に吸着・吸蔵している水分子・水素分子などを脱着させる方法（ベークアウト）が不可欠である。また真空容器内面を分子レベルで清浄化し、真空容器内壁からのガス放出を極力低減させることも重要となる。超高真空・極高真空の真空度測定には、特殊な型の電離真空計や残留気体の質量分析計が種々開発されており、現在実験室で記録された最高の真空度は10^-12～10^-13パスカル程度といわれているが、そもそもそれ以下の真空度になると、その真空度を正確に測る術（真空計）がなくなるのが現状である。しかし、このような極高真空状態でも残留気体の原子数は1立方センチメートル（cm³）当り数十～数百個も存在するのである。

　では、空間のスケールを広げ、宇宙に目を向けてみよう。宇宙空間の真空といえども、そこには星間ガスが存在する。典型的な星雲の一つ、オリオン大星雲（地球からの距離は数百～数千光年）の原子密度は1万～10万個毎立方センチメートル、圧力換算で10^-11～10^-10パスカルである。さらに遠方の銀河系と銀河系の間になると、原子の数は極端に減り、密度は1立方センチメートル当り100万分の1個以下、圧力にして10^-21パスカル以下と考えられている。ここまでくると限りなく本当の真空に近い空間である。

［坂上裕之　2017年3月21日］

真空の物理学

では、物理学における真空とはどんなことを意味するのか。まずは残留気体がゼロの空間はどのような性質をもっているのか。電磁気学の創設者J・C・マクスウェルや電波の発見者H・R・ヘルツらも電磁波（光や電波）を伝える媒質としてなんらかの物質（エーテル）の存在を信じていた。エーテルの存在が否定され、真空の物理学的意味が明らかにされるようになったのは、アインシュタインの相対性理論以後のことである。物質を排除した完全な真空は、その一般相対性理論の立場から、空間の三次元に、時間の一次元を加えた四次元の時空を意味する。しかもその真空（時空）のゆがみの伝達が重力を発生させる。つまり重力は真空（時空）のさざ波なのである。真空が電場や磁場の担い手としての働きをその本性としてもつものであることは、量子力学的場の理論の発展とともにしだいに明らかになった。1928年イギリスの物理学者P・A・M・ディラックは「ディラック方程式」とよばれる、電子を記述する新しい相対論的運動方程式を導き、「相対論的量子力学」をつくりあげ、質量は電子と同じで電荷が逆の反粒子である陽電子の存在を予言した。その反粒子の存在は1932年アメリカの原子物理学者C・D・アンダーソンによって電子と陽電子の対生成として霧箱の中で発見された。このディラックの相対論的運動方程式は、真空が電子の充満した負エネルギー状態であることを導き出した。これは真空に外からエネルギーを注入しさえすれば、電子が正エネルギーに励起され飛び出してくることを意味する。負電荷の電子が飛び出した後には正電荷の穴があく。まさにこれが陽電子なのである。17世紀にトリチェリらによって発見された真空。何もない無（ゼロ）の世界の真空が、驚くべきことに、実はエネルギーを注入することで粒子を生み出すダイナミックな世界（時空）であることがわかったのである。

　さらに今度は、時間スケールを大きく広げてみよう。すべてはビッグ・バンから始まるというビッグ・バン理論に従えば、いまから138億年前の大爆発によって宇宙は誕生し、急激な膨張を始めると同時に急激に冷え始める。ビッグ・バンの10^-44秒後、第1回目の真空の相転移がおこる。温度の低下（といっても10³²Kという途方もない温度であるが。K＝ケルビン、0℃＝273K）に伴い対称性が破れ、統一されていた力（原始の力）から重力が分岐する。宇宙はプランク世界（重力が量子化されている原始の世界）から大統一の世界へ移行する。そのとき、時空は量子化から解き放たれ、原始の真空は多次元からわれわれが現在住む四次元（空間の三次元＋時間の一次元）の真空（時空）へと姿を変える。10^-36秒後には温度は10²⁸Kまで冷え、第2回目の真空の相転移がおこり、今度は大統一力（強い力、電磁力、弱い力）のなかから強い力が分離する。このとき宇宙には重力、強い力、そして電磁力と弱い力の統一力という三つの基本的な力が存在していた。やがて第3回目の真空の相転移が10^-11秒後におこると、さらなる温度の低下（10¹⁵K）により真空の対称性はさらに低下し、電磁力と弱い力が分岐する。これによって、われわれが今日観測する4種類の基本的な力（重力、強い力、電磁力、弱い力）がそろった。さらに10^-4秒後、温度は10¹²Kとなり第4回目の真空の相転移がおこり、素粒子のクォークが強い相互作用をするハドロンに束縛される。これにより素粒子は、中間子とバリオン（重粒子）からなるハドロンと、点状粒子である電子やニュートリノなどからなるレプトン（軽粒子）とに分類される。そして現在われわれが生きているのは、ビッグ・バンから4.3×10¹⁷秒後（138億年後）の2.7Kの背景放射に満たされた冷たい世界なのである。

　これが現在の最先端理論の宇宙創生シナリオの一つである。無から生まれたとされる宇宙、その創世時の真空の本性の進化が、現在の物質の究極構造と密接な関係にあることは驚くべきことである。

［坂上裕之　2017年3月21日］

原子と真空

古代以来、真空の概念は原子論と不可分であった。古代ギリシアの原子論者デモクリトスは、世界は空虚の中を運動する無数の微小な原子からなるとして、空虚の存在は原子の存在と同じく確かなものと考えた。一方で、原子論を拒否して物質を連続体と考えたアリストテレスは、空虚の存在を不合理なものとして否定した。アレクサンドリアの科学者のなかには原子論を受け継ぎ、気体の実験的研究を行う者もあったが、アリストテレスの学問的権威は近代までのおよそ2000年の間、原子と真空を自然学の世界から追放した。中世のスコラ哲学では、自然において真空はありえないものとされ、大気圧によるさまざまな現象は「自然は真空を嫌悪する」ということばによって説明されたのである。

［内田正夫］

真空の実証

スコラ哲学を批判し、近代科学を準備した16、17世紀の人々によって古代の原子論は復活された。けれども、彼らの議論ももっぱら思弁に頼ったもので、原子相互間の微小な真空は存在するというものの、感覚でとらえることのできる大きな真空がありうるとは思われなかった。また、デカルトのように、あらゆる空間は微細な粒子で満たされているとして、真空を認めない者もあった。彼は物体の本質は幾何学的延長にあると考え、粒子は無限に分割可能であるとした。

　このような思弁的議論にとらわれず、初めて実際に真空をつくってみせたのが、ガリレイの弟子のトリチェリであった。彼は1643年に有名な「トリチェリの実験」を行い、真空の存在と大気圧の作用を明らかにした。トリチェリの見解は、数年後、フランスのパスカルによっていっそう十分に証明された。彼らとは別に、ドイツのゲーリケは、1650年ごろ、真空ポンプを製作して、青銅やガラス製の中空の球を排気することに成功した。このポンプは、トリチェリの方法によらなくとも自由に真空がつくりだせる新機械であった。彼は有名な「マクデブルクの半球実験」によって大気圧の強さを示したり、真空中での燃焼、音の伝播(でんぱ)、小動物の呼吸などを調べた。これらの実験は広く伝えられ、17世紀なかば過ぎには真空実験は一つの流行となった。こうして、空気の排除された空間としての真空の存在は疑いようのないものとなったのである。

［内田正夫］

高真空と現代物理学

ゲーリケのタイプの真空ポンプはさまざまな改良を加えられて、18世紀には科学実験室に普通の設備となった。その真空度はせいぜい1～10^-1mmHg程度であったと考えられるが、19世紀後半以後、ガイスラーやシュプレンゲルHermann Sprengel（1834―1900）らによって水銀を用いた効率のよい真空ポンプが考案され、10^-4mmHgを超える高真空が得られるようになった。これらのポンプは真空放電の研究に利用されたもので、やがて白熱電球からエジソン効果の発見、陰極線の研究からX線の発見がもたらされた。さらに1904年に発明された真空管は、20世紀のエレクトロニクスの展開の端緒となった。

　20世紀には拡散ポンプによっていっそうの高真空が得られるようになり、その技術は粒子加速器などの現代物理学の実験手段を支える基礎となっている。また、真空冶金、真空蒸着、真空蒸留などの技術的応用も広く行われるようになった。

［内田正夫］

『金持徹編『真空技術ハンドブック』（1990・日刊工業新聞社）』▽『日本真空協会編『超高真空実験マニュアル』（1991・日刊工業新聞社）』▽『T. A. Delchar著、石川和雄訳『真空技術とその物理』（1995・丸善）』▽『日本真空工業会編『真空用語事典』（2001・工業調査会）』▽『小宮宗治著『わかりやすい真空技術』（2002・オーム社）』▽『飯島徹穂著『真空のおはなし』（2003・日本規格協会）』▽『広瀬立成著『真空とはなんだろう――無限に豊かなその素顔』（講談社・ブルーバックス）』