تاریخچه خلأ

تاریخچه دانش خلأ

قدیمی‌ترین نظر در مورد خلأ به زمان ارسطو برمی‌گردد. ارسطو و بعداً پیروان وی معتقد بودند که خلأ یک امکان‌ناپذیری منطقی است، یعنی طبیعت از خلأ بیزار است. این نظر تقریباً به‌طور جهانی در قرون‌وسطی و تا قرن هفدهم پابرجا ماند. بنابر مفاهیم گمان پردازانه‌ی آن زمان از طبیعت، فضای دارای خلأ نمی‌توانست وجود داشته باشد. حتی گالیله (۱۶۴۲-۱۵۶۴)، با وجود آزمایشی که در آن نشان داده بود که هوا وزن دارد و با متراکم کردن آن وزنش بیشتر می‌شود، از این نظریه حمایت می‌کرد. توریچلی (۱۶۴۲-۱۶۰۵) یکی از شاگردان گالیله بود که موفق شد بر این نظر غالب شود. وی یک لوله‌ی شیشه‌ای بلند را از جیوه پر کرد و انتهای دیگر آن را با شست خود بست و آن سر را با همان وضع در تشتی مملو از جیوه به‌صورت وارونه قرار داد و آنگاه شست خود را رها کرد. با برداشتن شست خود از دهانه‌ی تیوب سطح ستون جیوه به ارتفاع ۷۶ سانتی‌متری از سطح جیوه داخل تشت سقوط کرد. این اولین آزمایش متقاعدکننده‌ای بود که نشان داد فضای بالای جیوه در لوله، خلأ است. شاگردان توریچلی در آزمایش‌های بعدی خود به همین نتیجه رسیدند. به‌این‌ترتیب توریچلی نشان داد، حداقل به بعضی از هم‌عصران خود، که مفهوم بیزاری طبیعت از خلأ نادرست است. اگر چه هنوز کسانی در جهان علوم طبیعی بودند که به شدت با نظر او مخالفت می‌کردند. بعداً پاسکال آزمایش توریچلی را تکرار کرد و هم چنین توانست نشان دهد که فشار جو با افزایش ارتفاع کاهش پیدا می‌کند.

اوتو ون گوئریک (۱۶۸۶-۱۶۰۲) مستقل از توریچلی، سهم بزرگی در توسعه‌ی فیزیک خلأ دارد. وی با الهام گرفتن از نظریه‌های کپلر، این سؤال را مطرح کرد که آیا سیارات در فضای خالی حرکت می‌کنند. گوئریک معتقد بود که باید چنین باشد، چون در غیر این صورت آن‌ها باید سرانجام به حالت سکون دربیایند. برای اثبات وجود خلأ، او از یک پمپ آب که از زمان‌های قدیم شناخته شده بود استفاده کرد و با کمک آن سعی کرد که آب داخل یک بشکه‌ی چوبی را با کمک سه مرد نیرومند خالی کند. در ضمن کار، صدای عبور هوا از درزهای دیواره‌ی بشکه شنیده می‌شد. این وضعیت، وقتی که بشکه در داخل مخزن پر از آبی قرار گرفت بهتر نبود. به‌هرحال او با این شکست‌ها مأیوس نشد. یک ظرف فلزی جانشین بشکه‌ی چوبی شد ولی پس از خالی شدن آب در هم فرو ریخت. وقتی که یک ظرف فلزی کروی نیمه پر به کار برده شد و آب آن را به خارج پمپ کرد، موفق شد یک فضای خالی (خلأ) ایجاد کند. به‌این‌ترتیب او پمپ خلأ را اختراع کرد.

شکل زیر پمپ هوای گوئریک را نشان می‌دهد. شیر ورودی یک شیر دستی است و شیر خروجی عبارت است از یک شیر که به وسیله‌ی یک واشر چرمی آب بندی شده است. بعداً بویل (۱۶۹۱-۱۶۲۷) ساختار پمپ را بهبود بخشید.

گوئریک آزمایش‌های متعددی در مورد خلأ انجام داد که معروف‌ترین آن‌ها، آزمایش نیم‌کره است که در تابستان ۱۶۵۷ انجام شد. در این آزمایش دو دسته ۸ تایی از اسب‌ها قادر نبودند دو نیم‌کره‌ی مسی به قطر ۵۰ سانتی‌متر را که فضای بین آن‌ها خالی شده بود از هم جدا کنند. دو نیم‌کره با یک نوار چرمی در بین آن‌ها کاملاً آب بندی شده بود.

گوئریک هم‌چنین یک فشارسنج آبی اختراع کرد و به‌وسیله‌ی آن وزن هوا را معین کرد. او هم‌چنین نشان داد که صدای زنگ قرار داده شده در یک فضای خلأ شنیده نمی‌شود، اگر چه خلأ روی نیروهای مغناطیسی که برای به صدا در آوردن زنگ لازم بودند، اثری ندارد. او برای آزمایش این گزاره او از ظرف شیشه‌ای به جای فلزی استفاده کرد. (ظرف شیشه‌ای پزشکی برای انبار کردن دارو به کار می‌رفت). بر اساس آزمایش‌های مختلف، در اواسط قرن ۱۹ آشکار بود که انسان در کف دریای عظیمی از هوا زندگی می‌کند. وزن هوایی که روی یک سانتی‌مترمربع از سطح زمین قرار دارد در حدود ده نیوتن (یک کیلوگرم) تعیین شد. بنابراین جرم هوای واقع شده روی یک مترمربع از سطح زمین در حدود ده تن است. به همین دلیل بود که نیروی هشت اسب در هر طرف نیمکره‌های خلأ شده، که فشار یک اتمسفر روی هر نیمکره آن قرار داشت، برای جدا کردن آن‌ها کافی نبود.

پمپ گرک

بویل (۱۶۹۱-۱۶۲۷) طرح پمپ خلأ را بهبود بخشید. با توسعه‌های بعدی طرح پمپ مکانیکی، امکان بهبود عملکرد پمپ گوئریک فراهم شد. اما از آنجا که اجتناب از فضاهای مرده امکان‌پذیر نبود، فقط فشار در محدوده‌ی خلأ معمولی قابل حصول بود. فلوس در پی اقدامات رابرت گیل پمپی را ساخت که در آن فضاهای مرده با روغن پر شده بود. فلوس این پمپ را به افتخار گوئریک پمپ گرک نامید.

در اقدامی دیگر، گیسلر در ۱۸۵۷ توانست فضای مرده ( همیشه مقداری گاز متراکم در سیلندر و بالای سیلندر باقی می‌ماند که با وجود متراکم شدن، از پمپ خارج نمی‌شوند. به فضایی که این گاز در آن قرار دارد، فضای مرده گفته می‌شود) را با استفاده از پیستون جیوه‌ای از بین ببرد. تاپلر (۱۸۶۲) و پوگندورف (۱۸۷۷-۱۷۹۶) نیز اصلاحاتی در این پمپ به عمل آوردند. یک نوع پمپ با استفاده از قطرات جیوه که به‌عنوان پیستون‌های کوچکی عمل می‌کردند به وسیله‌ی اسپرنگل در ۱۸۶۵ طراحی شد. پمپ جیوه‌ای گائد (۱۹۰۵) توانست جایگزین پمپ‌های جیوه‌ای قدیمی که حجیم، شکننده و کند بودند، شود. پمپ جیوه‌ای گائد را می‌توان معادل با سه پمپ جیوه‌ای که به صورت موازی با یکدیگر قرار گرفته‌اند، قلمداد کرد که به دلیل نداشتن لقی، سریعاً به فشارهای پایین می‌رسد. به هر حال هیچ کدام از این پمپ‌ها نتوانست بعد از پیشرفت عظیمی که گائد (۱۹۴۵-۱۸۷۸) ایجاد کرد دوام بیاورند. گائد پمپ کپسول را اختراع کرد (۱۹۰۹) که می‌توان آن را پیشگام پمپ خلأ دوار نامید که هنوز هم مورد استفاده قرار دارد. مشخصه‌های اساسی ساختاری در این پمپ‌ها، پیستون‌های دوار و شیرهای پوشیده از روغن است. گائد برای این پمپ در ۱۹۳۵ سیستم گاز بالاست را اختراع کرد که امروزه عملاً در همه‌ی پمپ‌های روغنی دوار مورد استفاده قرار دارد. وظیفه گاز بالاست جلوگیری از اشباع شدن بخار موجود در گاز و راندن بخار به همراه گاز به بیرون است.  بالاخره در سال ۱۹۴۵ یک نوع پمپ روتس پیستون دوار که هم اکنون به‌عنوان دمنده و هوارسان در کاربردهای فلوی گاز به کار می‌رود، به‌عنوان یک پمپ خلأ مفید برای بسیاری کاربردهای فناوری خلأ کشف شد.

پمپ پرتابی

پمپ پرتابی (جتی) آب که در ۱۸۷۰ توسط بنسن توصیف شده بود، بر اساس اصولی کاملاً متفاوت کار می‌کرد. از روی آن بعداً پمپ پرتابی بخار توسعه پیدا کرد. گائد در ۱۹۱۵ اولین پمپ دیفیوژن را ساخت. با کمک این پمپ به خلأ بالا قدم گذاشته شد. پمپ دیفیوژن در ۱۹۱۶ توسط لانگ موآر اصلاح شد. پیشرفت دیگری که توسط برچ به عمل آمدبه کار بردن روغن به جای جیوه در این پمپ بود. این فکر توسط هیک من و همکارانش پیگیری شد. به‌این‌ترتیب دستیابی به فشارهای ۱۰ میلی‌بار امکان‌پذیر گردید. در سال‌های اخیر، جدا از پمپ دیفیوژن، از پمپ‌های یونی و هم‌چنین پمپ مولکولار (متحول شده‌ی پمپی که گائد مبتکر آن بود) نیز استفاده می‌شود. پمپ کرایوژنیک نیز به‌طور فزاینده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نوع پمپ بر اساس جذب گازها و بخارات روی سطوحِ به قدر کافی سرد، کار می‌کند.

خلأ در زندگی امروز

گستره‌ی وسیعی از فعالیت‌های تحقیقاتی با کاربرد فناوری خلأ پیشرفته امکان‌پذیر شده است. با کمک فناوری خلأ که در دسترس است، کشف پیشرفت‌های اساسی مثل الکترون، تابش اشعه‌ی ایکس، تعیین مستقیم جرم اتمی و بالأخص روشن شدن مفهوم اتم و مولکول و غیره صورت گرفته است. بنابراین زندگی روزمره بدون کمک فناوری خلأ امکان‌پذیر نیست.