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真空（複数形：vacuumsまたはvacua）は、物質のない空間です 。この言葉は、ラテン語の形容詞vacuus（中性vacuum）に由来し、「空っぽの」または「空虚な」という意味です。このような真空の近似は、大気圧よりはるかに低い気体圧力の領域です。[ 1 ]物理学者は、完全な真空 で発生する理想的なテスト結果についてよく議論し、それを単に「真空」または自由空間と呼ぶこともあります。また、実験室や宇宙空間にあるような実際の不完全な真空を指すのに部分真空という用語を使用します。一方、工学や応用物理学では、真空とは、圧力が大気圧よりかなり低い空間を指します。 [ 2 ]ラテン語のin vacuum は、真空に囲まれた物体を説明するために使用されます。機械装置が真空を作り出すために、閉じたシステム（真空チャンバーなど）または開いたシステム（真空ホースなど）から物質を取り除くプロセスを排気と呼びます。真空システムによって回収され、流れから別の場所で取り除かれ、真空状態に保持された物質は、真空システムによって収集されたと言われることがある。大気が空気や真空への空気の流れを妨げる物質に及ぼす機械的な力は、吸引力と呼ばれる。
部分真空の質とは、完全真空にどれだけ近いかを示すものです。他の条件が同じであれば、ガス圧が低いほど真空の質が高くなります。例えば、一般的な掃除機は、空気圧を約 20% 下げるのに十分な吸引力を発生させます。 [ 3 ]しかし、より高品質の真空も可能です。化学、物理学、工学でよく使われる超高真空チャンバーは、大気圧の 1 兆分の 1 (10 −12 ) (100 nPa) 未満で動作し、約 100 個の 粒子/cm 3に達することができます。[ 4 ]宇宙空間はさらに高品質の真空であり、銀河間空間では平均して 1 立方メートルあたりわずか数個の水素原子に相当します。[ 5 ]
真空は古代ギリシャ時代から哲学の議論の的となってきたが、17世紀まで経験的に研究されることはなかった。クレメンス・ティンプラー（1605年）は、小さな管で真空を作り出す実験的可能性について哲学的に考察した。[ 6 ]エヴァンジェリスタ・トリチェリは1643年に最初の実験室真空を作り出し、彼の大気圧理論の結果として他の実験技術が開発された。トリチェリ真空は、片端が閉じた背の高いガラス容器に水銀を満たし、それをボウルの中に逆さまにして水銀を閉じ込めることで作られる（下記参照）。[ 7 ]
真空は20世紀に白熱電球や真空管の登場によって貴重な産業ツールとなり、その後、多種多様な真空技術が利用可能になった。有人宇宙飛行の発展は、真空が人間の健康、ひいては生命体全般に及ぼす影響への関心を高めている。
「vacuum」という単語は、ラテン語の「空っぽの空間、空虚」に由来し、「空っぽの」という意味のvacuusの中性形の名詞形であり、 「空っぽである」という意味のvacareと関連している。
歴史的に、真空というものが存在するかどうかについては多くの議論がありました。古代ギリシャの哲学者たちは、真空、つまり空虚の存在について、原子論の文脈で議論しました。原子論は、空虚と原子を物理学の基本的な説明要素として想定していました。ルクレティウスは紀元前1世紀に真空の存在を主張し、アレクサンドリアのヘロンは紀元1世紀に人工的な真空を作り出そうとしましたが、成功しませんでした。[ 9 ]
しかし、プラトン以降、特徴のない空虚という抽象的な概念でさえ、かなりの懐疑に直面した。それは感覚で把握することはできず、それ自体は、それと釣り合う物理的な体積以上の説明力を与えることはできず、定義上、それは文字通り何もないものであり、正しく存在するとは言えないからである。アリストテレスは、空虚は自然には発生しないと信じていた。なぜなら、より密度の高い周囲の物質連続体が、空虚を生み出す可能性のあるあらゆる初期の希薄さを即座に満たしてしまうからである。アリストテレスは『自然学』第4巻で、空虚に反対する多くの議論を提示した。例えば、何の障害もない媒体を通る運動は無限に続くことができ、何かが特定の場所に静止する理由はない、といった議論である。
中世イスラム世界では、物理学者でイスラム学者のアル・ファラビが10世紀に真空の存在を否定する論文を書いた。[ 10 ]彼は、空気の体積は利用可能な空間を満たすように膨張できるため、完全な真空の概念は矛盾していると結論付けた。[ 11 ]アフマド・ダラルによれば、アブー・ライハーン・アル・ビールーニーは「真空の可能性を排除する観察可能な証拠はない」と述べている。[ 12 ]吸引ポンプは13世紀にアラブの技術者アル・ジャザリによって記述され、その後15世紀からヨーロッパに現れた。[ 13 ] [ 14 ]
13世紀と14世紀のロジャー・ベーコン、パルマのブラジウス、ウォルター・バーリーなどのヨーロッパの学者たちは、真空の概念に関する問題にかなりの注意を払った。自然は真空を嫌うという一般的な見解は、 horror vacuiと呼ばれた。神でさえ望めば真空を創造できないという憶測さえあり、1277年のパリのエティエンヌ・タンピエ司教の断罪は、神の力に制限があってはならないと主張し、神は望めば真空を創造できるという結論につながった。[ 15 ] 14世紀以降、学者たちはアリストテレスの視点からますます離れ、17世紀までには、宇宙そのものの境界を超えた超自然的な空虚が存在することを広く認めるようになった。ストア派物理学の影響を受けたこの考えは、自然と神学の関心を分離するのに役立った。[ 16 ]
プラトンの約2000年後、ルネ・デカルトもまた、空虚と原子という問題のある「無と万物」の二分法を用いない、幾何学に基づいた原子論の代替理論を提唱した。デカルトは、自然界に真空は存在しないという当時の見解に同意していたものの、彼の名を冠した座標系の成功、そしてより暗黙のうちに、彼の形而上学における空間的・身体的な要素は、体積の定量化された拡張としての空虚空間という哲学的近代概念を定義づけることになった。しかしながら、古代の定義では、方向情報と大きさは概念的に区別されていた。
中世の真空の概念に関する思考実験では、2枚の平らな板を急速に分離したときに、たとえ一瞬であっても、その間に真空が存在するかどうかが検討された。 [ 17 ]板が分離されるときに空気が十分に速く流入するかどうか、あるいはウォルター・バーリーが提唱したように、「天体」が真空の発生を妨げているかどうかについて、多くの議論が交わされた。14世紀のジャン・ブリダンは、10頭の馬のチームが、ポートが密閉されているときにふいごを開けることができなかったと報告した。 [ 9 ]
17世紀には、部分真空の測定を定量化する最初の試みが行われた。[ 18 ] 1643年のエヴァンジェリスタ・トリチェリの水銀気圧計とブレーズ・パスカルの実験はどちらも部分真空を実証した。
1654年、オットー・フォン・ゲーリケは最初の真空ポンプを発明し[ 19 ]、有名なマクデブルク半球実験を行った。この実験では、半球の外側の大気圧のため、空気を部分的に抜いた2つの半球を馬のチームで分離することはできないことが示された。ロバート・ボイルはゲーリケの設計を改良し、ロバート・フックの助けを借りて真空ポンプ技術をさらに発展させた。その後、部分真空の研究は1850年にアウグスト・トプラーがトプラーポンプを発明し、1855年にハインリヒ・ガイスラーが 水銀置換ポンプを発明して約10 Pa（0.1 Torr ）の部分真空を達成するまで中断された。この真空レベルでは多くの電気的特性が観測可能になり、さらなる研究への関心が再び高まった。
宇宙空間は自然界に存在する部分真空の最も希薄な例であるが、天はもともとエーテルと呼ばれる硬質で不滅の物質で満たされていると考えられていた。ストア派物理学のプネウマからいくらか借用して、エーテルは、その名の由来となった希薄な空気と見なされるようになった（エーテル（神話）を参照）。初期の光理論では、光が伝播する遍在する地上および天上の媒体を想定していた。さらに、この概念は、アイザック・ニュートンの屈折と放射熱の両方の説明に影響を与えた。[ 20 ] 19世紀のこの光を伝えるエーテルに関する実験では、地球の軌道上の微小な抵抗を検出しようとした。地球は実際には星間空間に比べて比較的密度の高い媒体の中を移動しているが、抵抗は非常に小さいため検出できなかった。 1912年、天文学者のヘンリー・ピッカリングは次のようにコメントした。「星間吸収媒体は単にエーテルかもしれないが、ガスの特徴を備えており、自由なガス分子が確かに存在する」[ 21 ] 。しかしその後、発光エーテルは否定された。
その後、1930年にポール・ディラックは、負のエネルギーを持つ粒子の無限の海として真空をモデル化した「ディラックの海」を提唱した。この理論は、彼が以前に定式化したディラック方程式の予測を洗練させるのに役立ち、 2年後に確認された陽電子の存在を予測することに成功した。1927年に定式化されたヴェルナー・ハイゼンベルクの不確定性原理は、瞬間的な位置と運動量、あるいはエネルギーと時間を測定できる根本的な限界を予測した。これらの広範な影響は、粒子間の空間の「空虚さ」が存在するかどうかも脅かした。
真空を定義する最も厳密な基準は、応力エネルギーテンソルのすべての成分がゼロとなる時空領域である。これは、この領域にはエネルギーと運動量が存在しないことを意味し、結果として、エネルギーと運動量を含む粒子やその他の物理場（電磁場など）も存在しないはずである。
一般相対性理論では、応力エネルギーテンソルがゼロになるということは、アインシュタイン場の方程式を通して、リッチテンソルのすべての成分がゼロになることを意味します。真空だからといって、時空の曲率が必ずしも平坦になるわけではありません。重力場は、潮汐力や重力波の形で真空中に曲率を生み出すことができます（厳密には、これらの現象はワイルテンソルの成分です）。ブラックホール（電荷がゼロ）は、完全に真空で「満たされている」領域でありながら、強い曲率を示す洗練された例です。
古典電磁気学では、自由空間の真空、あるいは単に自由空間または完全真空と呼ばれるものが、電磁効果の標準的な参照媒体です。[ 22 ] [ 23 ]一部の著者はこの参照媒体を古典真空と呼んでいます。[ 22 ]この用語は、真空のゆらぎによって一時的な仮想粒子密度や、絶対的に1ではない比誘電率と比透磁率が生じるQED真空やQCD真空からこの概念を区別することを意図しています。[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]
古典電磁気学の理論では、自由空間は以下の性質を持つ。
古典電磁気学の真空は、SI 単位系での構成関係を持つ理想化された電磁媒体と見なすことができる。 [ 32 ]
量子力学および量子場理論において、真空は、可能な限り低いエネルギー（ヒルベルト空間の基底状態）を持つ状態（すなわち、理論の方程式の解）として定義されます。量子電磁力学では、この真空は量子色力学の真空（QCD真空と表記）と区別するために「 QED真空」と呼ばれます。QED真空は、物質粒子（そのためこの名前が付けられています）も光子も存在しない状態です。前述のように、この状態を実験的に実現することは不可能です。（たとえ何らかの方法で体積からすべての物質粒子を取り除くことができたとしても、すべての黒体光子を排除することは不可能です。）しかしながら、これは実現可能な真空の良いモデルとなり、次に述べるように、多くの実験的観測結果と一致します。
QED真空は興味深く複雑な性質を持っています。QED真空では、電場と磁場の平均値はゼロですが、分散はゼロではありません。[ 33 ]その結果、QED真空には真空ゆらぎ（存在したり消えたりする仮想粒子）と、真空エネルギーと呼ばれる有限のエネルギーが含まれます。真空ゆらぎは、量子場理論の本質的で遍在する部分です。真空ゆらぎの実験的に検証された効果には、自発放出とラムシフトがあります。[ 15 ]クーロンの法則と電荷の近くの真空中の電位は修正されます。 [ 34 ]
理論的には、QCD では複数の真空状態が共存できる。[ 35 ]宇宙論的インフレーションの開始と終了は、異なる真空状態間の遷移から生じたと考えられている。古典理論の量子化によって得られる理論では、構成空間のエネルギーの各定常点が単一の真空を生み出す。弦理論には膨大な数の真空、いわゆる弦理論ランドスケープが存在すると考えられている。
宇宙空間は密度と圧力が非常に低く、完全な真空に最も近い物理的な近似値です。しかし、真に完全な真空は存在せず、星間空間でさえ、1立方メートルあたり数個の水素原子が存在します。[ 5 ]
恒星、惑星、衛星は重力によって大気を保持しており、そのため大気には明確な境界がありません。大気ガスの密度は、対象物からの距離とともに単純に減少します。地球の大気圧は高度100キロメートル（62マイル）で約32ミリパスカル（4.6 × 10⁻⁶ psi）まで低下します[ 36 ]。これはカルマン線と呼ばれ、宇宙空間との境界の一般的な定義です。この線を超えると、等方性ガスの圧力は太陽からの放射圧や太陽風の動圧に比べて急速に無視できるほど小さくなるため、圧力の定義を解釈するのが難しくなります。この範囲の熱圏は、圧力、温度、組成の勾配が大きく、宇宙天気によって大きく変化します。天体物理学者は、これらの環境を記述するために、立方センチメートルあたりの粒子数という単位で数密度を使用することを好みます。
しかし、宇宙空間の定義には合致するものの、カルマン線から数百キロメートル以内の大気密度は、衛星に大きな抗力を与えるのに十分である。ほとんどの人工衛星はこの領域、低地球軌道と呼ばれる領域で運用されており、（太陽活動に応じて）数週間ごと、または年に数回エンジンを噴射する必要がある。[ 37 ]この領域の抗力は、理論的には惑星間旅行の推進システムとして提案されているソーラーセイルの放射圧によって克服できるほど小さい。[ 38 ]
観測可能な宇宙全体は、いわゆる宇宙背景放射と呼ばれる膨大な数の光子と、おそらくそれと同等の数のニュートリノで満たされています。この放射の現在の温度は約3 K (-270.15 °C ; -454.27 °F )です。
真空の質は、システム内に残存する物質の量によって示され、したがって、高品質の真空とは、残存する物質が非常に少ない真空のことです。真空は主に絶対圧力によって測定されますが、完全な特性評価には、温度や化学組成などのさらなるパラメータが必要です。最も重要なパラメータの1つは、残留ガスの平均自由行程（MFP）であり、これは分子が互いに衝突するまでに移動する平均距離を示します。ガス密度が低下すると、MFPは増加し、MFPがチャンバー、ポンプ、宇宙船、またはその他の存在する物体よりも長くなると、流体力学の連続体仮定は適用されません。この真空状態は高真空と呼ばれ、この領域での流体の流れの研究は粒子ガス力学と呼ばれます。大気圧での空気のMFPは非常に短く、70 nmですが、100 mPa（約 10 −3 Torr ）室温の空気の平均自由行程は約100 mmで、これは真空管 などの日常的な物体と同程度の大きさです。クルックス放射計は、平均自由行程が羽根のサイズよりも大きい場合に回転します。
真空度は、それを実現または測定するために必要な技術に応じて、いくつかの範囲に細分化されます。これらの範囲は、ISO 3529-1:2019で定義されており、次の表に示されています（100 Paは0.75 Torrに相当します。TorrはSI単位ではありません）。
真空は圧力単位で測定され、通常は地球上の大気圧からの差し引きとして表されます。しかし、測定可能な相対真空の量は、局所的な条件によって異なります。地表の大気圧が地球よりもはるかに高い金星の表面では、はるかに高い相対真空の測定値が得られる可能性があります。大気がほとんどない月の表面では、局所的な環境に対して測定可能な真空を作り出すことは極めて困難です。
同様に、地球の深海では、通常よりもはるかに高い相対真空度が得られる可能性がある。1気圧の内部圧力を維持したまま10気圧（98メートル。9.8メートルの海水柱は1気圧に相当する重さを持つ）の深さまで潜航した潜水艦は、外部の強い水圧を遮断する真空室として機能しているが、 潜水艦内部の1気圧は通常、真空とはみなされない。
したがって、真空測定に関する以下の議論を正しく理解するためには、相対的な測定は地球上の海面、つまり周囲の大気圧がちょうど1気圧の状態で行われていると想定することが重要です。
圧力のSI単位はパスカル（記号Pa）ですが、真空はしばしばトルで測定されます。トルはイタリアの物理学者トリチェリ（1608～1647）にちなんで名付けられました。トルはマノメーター内の水銀柱1ミリメートル（mmHg）の変位に等しく、1トルは絶対零度圧力より133.3223684パスカル高い値に相当します。真空は気圧目盛、または大気圧に対する割合（バールまたは気圧）で測定されることもよくあります。低真空は、標準大気圧より水銀柱ミリメートル（mmHg）またはパスカル（Pa）低い値で測定されることがよくあります。「大気圧以下」とは、絶対圧力が現在の大気圧に等しいことを意味します。
つまり、例えば 50.79 Torr と表示される低真空計のほとんどが、 実際には 1 Torr をはるかに超える (それ以下) 真空にするには、2 段ロータリーベーン式またはその他の中型真空ポンプが必要となる 。
真空中の圧力を測定するために、必要な真空の範囲に応じて多くの装置が使用される。[ 39 ]
静水圧計（水銀柱マノメーターなど）は、両端が異なる圧力にさらされる管内の垂直な液柱で構成されています。液柱は、その重量が管の両端間の圧力差と平衡するまで上昇または下降します。最も単純な設計は、片側が測定対象領域に接続された、閉じたU字型の管です。どのような流体でも使用できますが、密度が高く蒸気圧が低い水銀 が好まれます。単純な静水圧計は、1トル（100 Pa）から大気圧以上の圧力まで測定できます。 重要なバリエーションとして、マクラウドゲージがあります。これは、既知の体積の真空を隔離し、それを圧縮して液柱の高さの変化を増幅します。マクラウドゲージは、 10⁻⁶ トル（0.1 mPa）までの真空を測定できます。 これは、現在の技術で可能な最低の直接圧力測定です。他の真空計はより低い圧力を測定できますが、他の圧力制御特性を測定することによって間接的にしか測定できません。これらの間接的な測定値は、直接的な測定値、最も一般的にはマクラウドゲージによって校正されなければならない。[ 40 ]
ケノトメーターは、蒸気タービンを使用する発電所で一般的に使用される、特殊なタイプの静水圧計です。ケノトメーターは、復水器の蒸気空間、つまりタービンの最終段の排気の真空度を測定します。[ 41 ]
機械式または弾性式の圧力計は、通常金属製のブルドン管、ダイヤフラム、またはカプセルを利用しており、対象領域の圧力に応じて形状が変化します。この原理を応用したのが静電容量式圧力計で、ダイヤフラムがコンデンサーの一部を構成しています。圧力の変化によってダイヤフラムがたわみ、静電容量が変化します。これらの圧力計は、10³トル から10⁻⁴トル 、さらにそれ以上の圧力範囲で有効です。
熱伝導率計は、気体の熱伝導率が圧力とともに低下するという性質を利用しています。このタイプの計では、フィラメントに電流を流して加熱します。 その後、熱電対または抵抗温度検出器（RTD）を使用してフィラメントの温度を測定します。この温度は、フィラメントが周囲の気体に熱を放出する速度、つまり熱伝導率に依存します。一般的な例として、加熱素子とRTDの両方に単一の白金フィラメントを使用するピラニ計 があります。これらの計は10 torrから10⁻³ torrまで正確に測定できます が、測定対象の気体の化学組成に影響を受けやすいという欠点があります。
イオン化真空計は超高真空で使用されます。イオン化真空計には、熱陰極型と冷陰極型の2種類があります。熱陰極型では、電気的に加熱されたフィラメントが電子ビームを生成します。電子は真空計内を移動し、周囲のガス分子をイオン化します。生成されたイオンは負極に収集されます。電流はイオンの数に依存し、イオンの数は真空計内の圧力に依存します。熱陰極型真空計の精度は10⁻³ torrから10⁻¹⁰ torrです。冷陰極型の原理は同じですが、電子は高電圧放電によって生成された放電で生成されます。冷陰極型真空計の精度は10⁻² torr から10⁻⁹ torr です。イオン化真空計の校正は、構造形状、測定対象ガスの化学組成、腐食、表面堆積物に非常に敏感です。大気圧または低真空での活性化によって校正が無効になる場合があります。高真空中のガスの組成は通常予測不可能であるため、正確な測定にはイオン化真空計と質量分析計を併用する必要があります。 [ 42 ]
真空はさまざまなプロセスや装置で有用です。最初に広く使用されたのは、白熱電球のフィラメントを化学的劣化から保護するためでした。真空によって生じる化学的不活性は、電子ビーム溶接、冷間溶接、真空パック、真空フライにも有用です。超高真空は、原子レベルで清浄な基板の研究に使用されます。これは、非常に優れた真空のみが、原子レベルで清浄な表面を比較的長い時間（数分から数日）維持できるためです。高真空から超高真空は空気の障害物を取り除き、粒子ビームが汚染なく材料を堆積または除去できるようにします。これは、半導体や光学コーティングの製造、および表面科学に不可欠な化学気相成長法、物理気相成長法、およびドライエッチングの原理です。対流の減少は、魔法瓶の断熱効果をもたらします。深い真空は液体の沸点を下げ、低温での脱ガスを促進します。これは、凍結乾燥、接着剤の製造、蒸留、冶金、およびプロセスパージに使用されます。真空の電気的特性により、電子顕微鏡や真空管（陰極線管を含む）が実現可能となる。真空遮断器は電気開閉装置に用いられる。 真空アークプロセスは、特定のグレードの鋼材や高純度材料の製造において産業的に重要である。空気抵抗の排除は、フライホイール式エネルギー貯蔵装置や超遠心分離機に有用である。
真空は吸引力を生み出すためによく用いられ、その用途はさらに多岐に渡ります。ニューコメン式蒸気機関は、ピストンを駆動するために圧力の代わりに真空を利用しました。19世紀には、イザムバード・キングダム・ブルネルの実験的な大気圧鉄道で、牽引力として真空が用いられました。 真空ブレーキはかつてイギリスの列車で広く使用されていましたが、保存鉄道を除いて、空気ブレーキに置き換えられています。
マニホールド真空は自動車のアクセサリーの駆動に使用できます。最もよく知られている用途は、ブレーキの動力補助に使用される真空サーボです。廃止された用途には、真空駆動のフロントガラスワイパーやオートバック燃料ポンプなどがあります。航空機の計器の一部（姿勢指示器（AI）と方位指示器（HI））は、初期の航空機には電気系統がないことが多く、移動中の航空機にはエンジンと外部ベンチュリという2つの容易に利用できる真空源があるため、すべての（電気駆動の）計器の損失に対する保護として、通常は真空で駆動されます。 真空誘導溶解は、真空内の電磁誘導を使用します。
復水器内の真空状態を維持することは、蒸気タービンの効率的な運転において重要な要素です。この目的のために、蒸気噴射式エジェクタまたは液封式真空ポンプが使用されます。タービン排気口における復水器蒸気空間で維持される典型的な真空度（復水器背圧とも呼ばれる）は、復水器の種類や周囲環境によって異なりますが、5～15 kPa（絶対圧）の範囲です。
真空中での蒸発や昇華は、アウトガスと呼ばれます。固体、液体を問わず、すべての物質はわずかな蒸気圧を持ち、真空圧がこの蒸気圧を下回ると、アウトガスが問題となります。アウトガスは漏れと同じ効果があり、達成可能な真空度を制限します。アウトガス生成物は、近くの低温の表面に凝縮することがあり、光学機器を遮ったり、他の物質と反応したりすると厄介な問題となります。これは宇宙ミッションにおいて特に重要で、望遠鏡や太陽電池が遮られると、高額なミッションが台無しになる可能性があります。
真空システムにおいて最も一般的なガス放出物は、チャンバー材料に吸収された水分です。これは、チャンバーを乾燥または加熱処理し、吸収性材料を除去することで低減できます。ガスバラストを使用しない場合、放出された水分がロータリーベーンポンプのオイル中に凝縮し、ポンプの正味回転速度を大幅に低下させる可能性があります。高真空システムは、ガス放出を最小限に抑えるために、清潔で有機物のない状態に保つ必要があります。
超高真空システムは通常、真空下で加熱処理を行い、一時的にすべてのガス放出物質の蒸気圧を上昇させて蒸発させます。ガス放出物質の大部分が蒸発して排気された後、システムを冷却して蒸気圧を下げ、実際の運転中の残留ガス放出を最小限に抑えます。一部のシステムは、残留ガス放出を停止させると同時にシステムをクライオポンプで冷却するために、液体窒素を用いて室温よりかなり低い温度まで冷却されます。
液体は一般的に引っ張ることができないため、吸引によって真空を作り出すことはできません。吸引によって、より高い圧力で液体が押し込まれることで真空状態が広がり、希釈されることはありますが、吸引が発生する前にまず真空状態を作り出す必要があります。人工的に真空状態を作り出す最も簡単な方法は、容器の容積を拡張することです。例えば、横隔膜の筋肉が胸腔を拡張すると、肺の容積が増加します。この拡張によって圧力が低下し、部分的な真空状態が生じますが、すぐに大気圧によって押し込まれた空気で満たされます。
無限に拡大する必要なくチャンバーを無期限に真空状態に保つには、真空の区画を繰り返し閉じて真空を抜き、再び拡張すればよい。これは、例えば手動式ウォーターポンプのような容積式ポンプの原理である。ポンプ内部では、機構によって密閉された小さな空洞が拡張され、真空状態が作られる。圧力差によって、チャンバー（この例では井戸）から流体がポンプの小さな空洞に押し込まれる。その後、ポンプの空洞はチャンバーから密閉され、大気に開放され、再び極小サイズに圧縮される。
上記の説明は真空ポンプの簡単な紹介に過ぎず、使用されているポンプの全種類を網羅しているわけではありません。容積式ポンプには多くのバリエーションが開発されており、他の多くのポンプ設計は根本的に異なる原理に基づいています。運動量伝達ポンプは、高圧で使用される動的ポンプと類似点があり、容積式ポンプよりもはるかに高い真空度を実現できます。捕捉ポンプは、固体または吸収状態のガスを捕捉でき、多くの場合、可動部品、シール、振動がありません。これらのポンプはどれも万能ではなく、それぞれに重要な性能上の制約があります。これらのポンプはすべて、低分子量ガス、特に水素、ヘリウム、ネオンの排気に困難を伴います。
システム内で達成可能な最低圧力は、ポンプの特性以外にも多くの要因に依存します。より高い真空度を実現するために、複数のポンプを直列に接続して段数を増やすことがあります。シールの選択、チャンバーの形状、材質、排気手順などもすべて影響を及ぼします。これらを総称して真空技術と呼びます。また、最終的な圧力だけが重要な特性ではない場合もあります。ポンプシステムは、油汚染、振動、特定のガスの優先排気、排気速度、断続運転サイクル、信頼性、高漏洩率への耐性などにおいて異なります。
超高真空システムでは、非常に「特殊な」漏洩経路やガス放出源を考慮する必要があります。アルミニウムやパラジウムの吸水は許容できないガス放出源となり、ステンレス鋼やチタンなどの硬質金属の吸湿性も考慮しなければなりません。一部のオイルやグリースは、極度の真空下では蒸発します。金属製チャンバー壁の透過性も考慮する必要があり、金属製フランジの結晶粒方向はフランジ面と平行でなければなりません。
現在実験室で達成可能な最低圧力は約1 × 10 −13 torr (13 pPa)です。[ 43 ] しかし、4 K (−269.15 °C; −452.47 °F)の極低温真空システムでは、 5 × 10 −17 torr (6.7 fPa)という低い圧力が間接的に測定されています。[ 4 ]これは ≈100 粒子/cm 3に相当します。
真空にさらされた人間や動物は数秒後に意識を失い、数分以内に低酸素症で死亡しますが、その症状はメディアや大衆文化で一般的に描かれているほど生々しいものではありません。圧力の低下により血液やその他の体液が沸騰する温度は低下しますが、血管の弾性圧力により、この沸点は体温の37℃より上に保たれます。[ 44 ]血液は沸騰しませんが、圧力低下時に体液中に気泡が発生する現象（気泡症）は依然として懸念事項です。ガスによって体が通常の2倍の大きさに膨張し、循環が遅くなる可能性がありますが、組織は弾力性と多孔性を備えているため、破裂を防ぐことができます。[ 45 ]膨張と気泡症は、加圧スーツで封じ込めることで抑制できます。スペースシャトルの 宇宙飛行士は、2 kPa（15 Torr）という低圧でも気泡症を防ぐ、クルー高度保護スーツ（CAPS）と呼ばれる体にフィットする伸縮性のある衣服を着用していました。 [ 46 ]急速な沸騰は皮膚を冷やし、特に口の中に霜を発生させますが、これは重大な危険ではありません。
動物実験では、90秒未満の曝露では迅速かつ完全な回復が正常である一方、全身への長時間の曝露は致命的であり、蘇生は成功したことがないことが示されています。[ 47 ] NASAによる8頭のチンパンジーを対象とした研究では、すべてのチンパンジーが2分半の真空曝露に耐えたことがわかりました。[ 48 ]人間の事故から得られるデータは限られていますが、動物のデータと一致しています。呼吸が阻害されなければ、四肢ははるかに長く曝露される可能性があります。[ 49 ]ロバート・ボイルは1660年に、真空が小動物にとって致命的であることを初めて示しました。
実験によると、植物は低圧環境（1.5 kPa）で約30分間生存できることが示されている。[ 50 ] [ 51 ]
低温または酸素が豊富な大気は、酸素密度が標準的な海面大気と同程度であれば、大気圧よりはるかに低い圧力でも生命を維持できます。高度3 kmまでの低温の空気は、一般的にその高度での低い圧力を補います。[ 49 ]この高度より上では、事前に順応していない人間が高山病になるのを防ぐために酸素濃縮が必要であり、 19 km を超える高度で気泡の発生を防ぐために宇宙服が必要です。[ 49 ]ほとんどの宇宙服は、純酸素を 20 kPa (150 Torr) しか使用しません。この圧力は気泡の発生を防ぐには十分高いですが、減圧速度が管理されていない場合は、減圧症やガス塞栓症が発生する可能性があります。
急速な減圧は、真空曝露そのものよりもはるかに危険な場合があります。被害者が息を止めていなくても、気管からの排気が遅すぎて、肺の繊細な肺胞の致命的な破裂を防ぐことができない場合があります。[ 49 ]鼓膜や副鼻腔は急速な減圧によって破裂する可能性があり、軟部組織は打撲して出血し、ショックによるストレスは酸素消費を加速させ、低酸素症を引き起こします。[ 52 ]急速な減圧によって引き起こされる損傷は気圧外傷と呼ばれます。13 kPa (100 Torr)の圧力低下は、徐々に発生すれば症状を引き起こしませんが、突然発生すると致命的になる可能性があります。[ 49 ]
量子真空を扱い、古典真空とは対照的に、放射には物理的効果と関連付けることができる特性、特にゆらぎがある。
常磁性と反磁性の両方の寄与が存在することがわかります。QCD真空は常磁性であるのに対し、QED真空は反磁性である。カルロス・A・ベルトゥラーニ（2007）『核物理学の要点』（プリンストン大学出版局、26ページ）を参照。Bibcode ：2007npn..book..... B。ISBN 978-0-691-12505-3。
最小エネルギーの基本状態である真空は唯一無二ではなく、対称性を完全に尊重する縮退状態の連続体が存在する。
