hutsune

SARRERA DESBERDINA:

Huts (fisika)

Hutsa espazioko gune bateko materia ororen eza da. Horrez gain, partikula-dentsitate baxuko espazioko zona bateko ezaugarriari ere, hutsa deritzo. Kontzeptu horren adibide argi bat izarrarteko espazioa da.
Berez existi daiteke, edo artifizialki sor daiteke; egunerokoan edo aplikazio zientifiko-teknologikoetarako erabil daiteke. Hainbat industria-esparru baliatzen dira hutsez: adibidez, elikagaiena, automobilena edo farmazeutikoa.
Hutsune partzial baten kalitateak aipamena egiten dio hutsune perfektu batera hurbiltzen den kopuruari. Baldintza beretan, gasaren presio txikiagoak kalitate handiagoko hutsa adierazten du. Adibidez, xurgagailu tipiko batek airearen presioa % 20 inguru murrizteko adina xurgatze sortzen du^[1].​ Baina kalitate handiagoko hutsuneak lor daitezke. Ultra-hutsune ganberek —ohikoak kimikan, fisikan eta ingeniaritzan— presio atmosferikoaren bilioiko partearen azpitik (10^-12) jarduten dute (100 nPa), eta 100 partikula/cm₃ inguru izan ditzakete. Kanpo-espazioa are kalitate handiagoko hutsa da, galaxiarteko espazioan, batez beste, metro kubiko bakoitzeko hidrogeno atomo gutxi batzuen baliokide dena^[2].
Hutsunea, filosofikoki, maiz eztabaidatu izan da antzinako Greziatik, baina, enpirikoki, ez zen aztertu XVII. mendera arte. 1643an, Evangelista Torricellik sortu zuen lehen laborategi-hutsunea, eta, presio atmosferikoari buruzko bere teorien ondorioz, beste teknika esperimental batzuk garatu ziren. Hutsune torricelliar bat lor daiteke mutur batetik itxita dagoen kristal altudun ontzi bat merkurioz betez eta, gero, merkurioa eutsiko duen ontzi batean hustuz^[3].
Hutsa industria-tresna baliotsu bihurtu zen XX. mendean goritasun-bonbillak eta huts-hodiak sartu zirenean, eta, harrezkero, huts-teknologien aukera zabala dago. Hegaldi espazial tripulatuen garapenak interesa piztu du hutsuneak giza osasunean eta, oro har, bizimoduetan izan zezakeen eraginagatik.
AVSren (Estatu Batuetako Hutsaren Elkartearen) arabera (1958), hutsa gasez betetako espazioa da; espazioaren barneko presioa baxuagoa da presio atmosferikoa baino. Beraz, huts-maila handituz doa hondar-gasaren presio-jaitsierarekin batera. Horren ondorioz, presioa zenbat eta txikiagoa izan, orduan eta huts handiagoa lortzen dugu. Era horretan, huts-tarteen sailkapen bat egin daiteke.
Historikoki, eztabaida handia egon da hutsunerik egon daitekeen edo ez. Antzinako greziar filosofoek hutsunearen existentzia eztabaidatu zuten atomismoaren testuinguruan, zeinak hutsa eta atomoa fisikaren funtsezko azalpen-elementu gisa posizionatu zituen. Lukreziok K.a. I. mendean hutsunea bazegoela argudiatu zuen, eta Heron Alexandriakoa, arrakastarik gabe, K.o. I. mendean hutsune artifizial bat sortzen saiatu zen^[4]
Hala ere, Platonen ondoren, ezaugarri bereizgarririk gabeko hutsaren kontzeptu abstraktuak ere eszeptizismo handi bati egin behar izan zion aurre: zentzuek ezin atzeman zezaketen, ezin zezakeen, berez, proportzionala zen bolumen fisikotik haragoko azalpen-ahalmen gehigarririk eman, eta, definizioz, literalki, huts absolutua zen; beraz, ez dago arrazoiz baieztatzerik. Aristotelesek uste zuen ezin zela berez hutsunerik gertatu; bada, inguruko etengabeko materialak, dentsoagoa, berehala beteko lukeelako hutsune bat sor lezakeen arrarotasun hasiberri oro. Bere Fisikaren IV. liburuan, Aristotelesek hutsaren aurkako argudio ugari eskaini zituen: adibidez, eragozpenik aurkeztuko ez zuen bitarteko baten bidezko higidurak ad infinitum jarrai zezakeela zerbait leku jakin batean geratzeko arrazoirik izan gabe.
Erdi Aroko mundu musulmanean, Al-Farabi fisikari eta jakintsu islamiarrak hutsaren existentzia ukatzen zuen tratatu bat idatzi zuen X. mendean^[5]. Ondorioztatu zuen airearen bolumena zabaldu egin daitekeela eskuragarri dagoen espazioa betetzeko, eta, beraz, huts perfektuaren kontzeptua inkoherentea zen^[6]. Ahmad Dallalen arabera, Abū Rayhān al-Bīrūnīk dio: «ez dagoela hutsaren aukera baztertzen duen frogarik»^[7]. XIII. mendean, Al-Jazari ingeniari arabiarrak xurgatze-ponpa deskribatu zuen, eta, geroago, XV. mendetik aurrera, Europan agertu zen^[8][9].
XIII. eta XIV. mendeetan, Europako adituek, hala nola Roger Bacon, Blasius Parmakoa eta Walter Burley-k arreta handia jarri zuten hutsunearen kontzeptuari buruzko gaietan. Naturak hutsunea gorrotatzen zuela zioen uste zabalduari horror vacui zeritzon. Nahi izanez gero ere Jainkoak berak ezin zuela hutsunea sortu espekulatzera iritsi zen, eta Étienne Tempier apezpikuaren, zeinak Jainkoaren botereei mugarik ez egotea eskatzen zuen, 1277ko Parisko kondenazioek ondorioztatu zuten Jainkoak, nahi izanez gero, hutsunea sor zezakeela^[10]. XIV. mendetik aurrera, Aristotelesen ikuspegitik gero eta gehiago urrunduz, XVII. menderako, adituek onartu zuten kosmosaren beraren mugetatik haratago bazegoela naturaz gaindiko hutsune bat. Ideia horrek, fisika estoikoak eraginda, kezka naturalak eta teologikoak bereizten lagundu zuen^[11].
Platon baino ia bi mila urte geroago, René Descartesek atomismoaren teoria alternatibo bat proposatu zuen geometrian oinarritua, hutsunearen eta atomoaren arteko ezerez eta denaren dikotomia problematikorik gabe. Descartesek hutsunea naturan ez dela gertatzen garaiko jarrerarekin bat egin bazuen ere, bere izen bereko koordenatu sistemaren arrakastak eta, areago, bere metafisikaren osagai espazial-korporalak definituko zuten filosofikoki modernoa den espazio hutsaren nozioa bolumenaren luzapen kuantifikatu gisa. Hala ere, Antzinako definizioaren arabera, norabide-informazioa eta magnitudea, kontzeptualki, desberdinak ziren^{[erreferentzia behar]}.
Hutsunearen ideiari buruzko Erdi Aroko gogo-esperimentuek aztertzen zuten bi plaka lauen artean hutsunea existitzen ote zen, une batez bada ere, azkar bereizitakoan^[12]. Eztabaida handia egon zen ea airea nahikoa azkar sartzen ote zen plakak bereizten zirenean, edo, Walter Burleyk esan zuen gisa, ea zeruko agente batek hutsunea sortzea eragozten ote zuen. Jean Buridanek XIV. mendean jakinarazi zuen hamar zaldiko taldeek ezin zutela hauspoak ireki ataka itxita zegoenean^[4].
XVII. mendean egin ziren hutsune partzialaren neurketak kuantifikatzeko lehen saiakerak^[13]. Evangelista Torricelliren 1643ko merkurio barometroak eta Blaise Pascalen esperimentuek hutsune partziala frogatu zuten.
1654an, Otto von Guerickek lehenengo huts-ponpa asmatu zuen^[14], eta bere Magdeburgoko hemisferioen esperimentu ospetsua egin zuen, erakutsiz, kanpoko presio atmosferikoaren ondorioz, zaldi-taldeek ezin zituztela airea partzialki hustu zen bi hemisferio bereizi. Robert Boylek Guericke-ren diseinua hobetu zuen, eta, Robert Hooke-ren laguntzarekin, huts-ponpen teknologia gehiago garatu zuen. Ondoren, huts partzialaren ikerketa eten egin zen 1850era arte, August Toepler-ek Toepler ponpa asmatu zuenean eta 1855era arte Heinrich Geisslerrek merkuriozko desplazamendu-ponpa asmatu zuenean, 10 Pa (0,1 Torr) inguruko huts partziala lortuz. Huts-maila horretan, hainbat propietate elektriko ikus daitezke, eta horrek ikerketa gehiago egiteko interesa berpiztu zuen.
Kanpoko espazioak hutsune partzial naturalaren adibiderik arraroena eskaintzen duen arren, hasieran, unibertsoa eter izeneko material zurrun eta suntsiezin batez beteta zegoela uste zen. Fisika estoikoaren pneuma oinarri gisa hartuta, eterra aire arrarotzat hartu zen, eta hortik hartu zuen izena (ikus Eter (mitologia)). Argiaren lehen teoriek lurtar eta zerutar ingurune nonahiko bat proposatzen zuten, zeinaren bidez argia hedatzen zen. Gainera, kontzeptu horrek Isaac Newtonen errefrakzioaren eta bero erradiatzailearen azalpenak iradoki zituen^[15]. XIX. mendeko eter argitsu horrekin egindako esperimentuek Lurraren orbitan marruskadura txiki bat detektatzen saiatu ziren. Lurra, egia esanda, izarrarteko espazio aldean nahiko dentsitate handiko ingurune batean mugitzen den arren, marruskadura hain txikia da, ezen ezin izan baitzen detektatu. 1912an, Henry Pickering astronomoak honakoa adierazi zuen: «Xurgapen-ingurune interestelarra eterra besterik izan ezin daitekeen arren, gas baten ezaugarria du, eta molekula gaseoso askeak bertan daude, zalantzarik gabe»^[16]. Geroago, ordea, eter argitsua baztertu egin zen.
Geroago, 1930ean, Paul Diracek hutsunearen eredu bat proposatu zuen energia negatiboa zuten partikulen itsaso infinitu gisa, Dirac itsasoa deitua. Teoria horrek lehenago formulatutako Dirac ekuazioaren iragarpenak fintzen lagundu zuen, eta, arrakastaz, positroiaren existentzia iragarri zuen, bi urte geroago baieztatuta. 1927an formulatutako Werner Heisenbergen ziurgabetasun printzipioak oinarrizko muga bat iragarri zuen, zeinaren barruan posizioa eta berehalako momentua edo energia eta denbora neur daitezkeen. Ondorio zabal horiek partikulen arteko espazioaren hutsunearen existentzia ere arriskuan jarri zuten.
Atmosferak edo aireak Lurraren gainean egiten duen presioari, presio atmosferikoa deritzo. Giro-tenperaturan eta presio atmosferiko arruntean, metro kubiko batean 2×10²⁵ molekula inguru daude 1600 km/h-ko batez besteko abiaduran higitzen. Presio atmosferikoa neurtzeko, merkurio-barometroa erabil daiteke. Presioaren balioa 760 mm-ko altuera duen eta zeharkako sekzio unitarioa duen merkurio-zutabearen altueraren arabera adierazten da. Hortik abiatuta, atmosfera estandar baten balioa defini dezakegu:
${\displaystyle 1atm=760mmHg}$
Modu erosoagoan lan egiteko, torricelliren unitatea (Torr) erabiltzen da presio unitate gisa:
${\displaystyle 1Torr=1mmHg}$
Piranik garatutako metodoa presio baxuak neurtzeko metodo ezagun bat da. Metodo horretan, Wheatstone zubi bat erabiltzen da. Zubi horren erresistentzietako bat neurtu behar dugun hutsarekin kontaktuan dago. Sentsore horren erresistentzia presio-aldaketen arabera aldatuko da. Presioaren balioa presio atmosferikotik hurbil dagoenean, erresistentziaren harizpia hainbat molekulekin egongo da kontaktuan. Horrek harizpiaren tenperaturaren jaitsiera dakar (molekulek harizpiaren beroa barreiatzen dutelako), eta, ondorioz, bere erresistentzia jaitsi egiten da. Hutsa handituz doan heinean, harizpiak gero eta molekula gutxiagorekin egingo du topo; beraz, beroa barreiatzeko zailtasun handiagoa izango du, eta horrek bere tenperatura handituko du. Tenperatura-handipen horrek harizpiaren erresistentzia handitu, eta desoreka bat eragingo du Wheatstone zubian. Aipatutako desoreka mikro-amperemetro batekin neurtzen da. Amaitzeko, Wheatstone zubian neurtutako korronte-aldaketak hutsaren balioekin interpolatu behar dira.
Hutsaren teknologia asko aurreratu den arren, makinek sortzen duten hutsa ez da erabatekoa, eta ontzi batean gordetzen den airea edo gasa ahalik eta gehien bakantzea du helburu teknologia horrek. Industrian, 1900. urtean hasi zen hutsaren teknologia erabiltzen argi bonbilletan wolframezko harizpia degradazio kimikotik babesteko. Gaur egun erabiltzen diren makinak edo bonbak bost eratakoak dira: bonba mekanikoak, zurrustako bonbak, ioinizazio-bonbak, xurgapen kimikoan oinarriturikoak eta krioi-bonbak. Gehien erabiltzen den bonbetako bat itzulikari oliodun bonba mekanikoa da; 10-1 torr (1 torr = 1 mm Hg) inguruko presioa duten hutsuneak sor ditzake, eta janariak paketetan gordetzeko erabiltzen da, besteak beste^[17]. Termoetako isolamendu termikoa mantentzeko ere erabiltzen da hutsa, eta, bere propietate elektrikoei esker, mikroskopio elektronikoak ere posible egiten ditu.
Erlatibitate orokorrean, Einstein-en eremu-ekuazioen arabera, tentsio-energia tentsorearen desagerpenak Ricci tentsorearen osagaien desagerpena dakar. Espazioko eremu bat hutsik egoteak ez du esan nahi espazio-denboraren kurbadura laua denik: grabitazio-eremuak, oraindik, kurbadura sor dezake hutsean marea-indarren eta grabitazio-uhinen bidez (zehazki, fenomeno horiek Weyl tentsorearen osagaiak dira). Zulo beltza (karga elektrikorik gabekoa) hutsez betetako eta kurbatura handia duen eremu baten adibide egokia da.
Elektromagnetismo klasikoan, espazio askearen hutsa (espazio askea edo huts perfektua) efektu elektromagnetikoetarako oinarrizko erreferentzia-ingurune gisa erabiltzen da^{[18] [19]}. Zenbait ikertzailek erreferentzia-ingurune horri huts klasiko deritze^[18]; terminologia horren xedea da espazio askearen hutsa QED hutsetik edo QCD hutsetik bereiztea ^[20][21][22].
Elektromagnetismoaren teoria klasikoan, espazio askeak honako propietateak ditu:
Elektromagnetismo klasikoaren hutsa ingurune ideal bat gisa ikus daiteke, non ondorengo erlazioak betetzen diren:^[19]
${\displaystyle D(r,t)=\varepsilon _{0}E(r,t)}$
${\displaystyle H(r,t)={\frac {1}{\mu }}_{0}B(r,t)}$
Mekanika kuantikoan eta eremu-teoria kuantikoan, hutsa, energia baxueneko egoeratzat definitzen da, egoera hori teoriaren ekuazioen soluzioa izanik (Hilberten espazioaren oinarrizko egoera). Elektrodinamika kuantikoan lantzen den hutsari, QED hutsa deritzo, kromodinamika kuantikoan lantzen den hutsetik bereizteko (QCD hutsa). QED hutsa, izan ere, materia eta fotoirik gabeko egoera da. Egoera hori esperimentalki lortzea ezinezkoa da, nahiz eta eremu bateko materia-partikula guztiak kanporatu, gorputz beltzaren erradiazio-fotoiak ezabatzea ezinezkoa da. Hala ere, lor daitekeen hutsaren eredu ona ematen du, eta emaitza esperimental askorekin bat dator.
QED hutsak propietate interesgarri eta konplexuak ditu. QED hutsean, eremu elektriko eta magnetikoak batezbesteko balio nulua dute, baina horien bariantza ez da nulua.^[28] Horren ondorioz, QED hutsak huts-fluktuazioak (alegiazko partikulak agertu eta desagertu egiten dira) eta energia finitua du; azken horri huts-energia deritzo. Huts-fluktuazio horiek ezinbestekoak eta nonahikoak dira eremu-kunatikoen teorian. Berezko emisioak eta Lamb efektua^[29] huts-fluktuazioek eragindako zenbait efektu esperimental dira. Bestalde, karga batetik hurbil dagoen hutsean, Coulomben legea eta potentzial elektrikoa aldatu egiten da^[30].
Kanpo espazioak dentsitate eta presio oso baxuak ditu, eta huts perfektuaren hurbilketa fisiko onena da. Hala eta guztiz ere, ez dago huts perfekturik. Esaterako, izarrarteko espazioan, zenbait hidrogeno atomo daude metro kubiko bakoitzeko^[31].
Izarrek, planetek eta ilargiek erakarpen grabitazionalari esker mantentzen dituzte haien atmosferak, eta, ondorioz, atmosferek ez dute muga zehatz bat; atmosfera-gasaren dentsitatea gutxituz doa objektuarekiko distantziaren handipenarekin. Lurraren presio atmosferikoa 3.2×10⁻² Pa-etara jaisten da 100 kilometroko altueran. Altuera horretan, Kármán lerroa definitzen da^[32], zeina kanpo espazioaren muga gisa definitzen den. Muga horretatik aurrera, gasaren presio isotropikoa arbuiagarria bilakatzen da eguzkiaren erradiazio-presioarekin eta eguzki-haizeen presio dinamikoekin konparatuta.
Kármán lerrotik gora dauden lehen ehunka kilometrotako atmosfera-dentsitatea nahikoa da bertan dauden sateliteei marruskadura-indarra eragiteko, nahiz eta kanpo espazio gisa definituta egon. Satelite artifizial askok eremu horretan egiten dute lan, Lur-orbita baxua deritzon eremuan, eta urtean zenbait aldiz motoreak piztu behar dituzte orbita mantentzeko. Altuera horretako marruskadura hain da txikia, non, teorikoki, Eguzki-beletan jasotako erradiazio-presioak eragindako indarra gai den marruskadura horrek eragindako indarra gainditzeko. Eguzki-belen erradiazio bidezko propultsioa planetarteko bidaiak egiteko proposatutako sistema bat da^[33].
Unibertso behagarri osoa hainbat fotoiz beteta dago, hondo kosmikoko erradiazio deritzona, eta baita hainbat neutrinoz ere. Erradiazio horren tenperatura 3 K ingurukoa da, edo -270 °C ingurukoa.