真空

真空（複数形：vacuumsまたはvacua）は、物質のない空間である 。この単語は、「空虚な」または「虚空」を意味するラテン語の形容詞vacuus（中性vacuum ）に由来する。このような真空の近似値は、大気圧よりはるかに低い気体圧力の領域である。^{[1]物理学者は、}完全な真空（単に「真空」または自由空間と呼ぶこともある） で得られる理想的な試験結果についてよく議論し、実験室や宇宙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する。一方、工学および応用物理学では、真空は圧力が大気圧よりかなり低い空間を指す。^[2]ラテン語の invacuum は、真空に囲まれた物体を表すために使用される。

部分真空の質とは、それが完全真空にどれだけ近いかを指します。他の条件が同じであれば、ガス圧が低いほど真空の質は高くなります。たとえば、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揮します。 ^[3]しかし、より高品質の真空も可能です。化学、物理学、工学で一般的な超高真空チャンバーは、大気圧 (100 nPa) の 1 兆分の 1 (10 ^{−12 ) 未満で動作し、約 100 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的議論の話題として頻繁に取り上げられてきたが、17世紀まで実証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）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、大気圧の理論の結果として他の実験技術も開発された。トリチェリの真空は、一端が閉じられた背の高いガラス容器に水銀を充填し、それをボウルの中で逆さまにして水銀を封じ込めることで生成される（下記参照）。^[7]

20 世紀には白熱電球や真空管の導入により真空が貴重な産業ツールとなり、以来、さまざまな真空技術が利用可能になりました。有人宇宙飛行の発展により、真空が人間の健康や生命体全般に与える影響への関心が高まっています。

真空という言葉はラテン語の「空の空間、空虚」に由来し、「空」を意味するvacuus の中性名詞で、「空である」を意味する vacareに関連しています。

Vacuumは英語の中で母音uが2回連続して現れる数少ない単語の一つである。^[8]

歴史的に、真空というものが存在できるかどうかについては多くの論争がありました。古代ギリシャの哲学者は、真空または空隙の存在を、物理学の基本的な説明要素として空隙と原子を仮定した原子論の文脈で議論しました。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後1世紀に人工的に真空を作ろうとしましたが失敗しました。^[9]

しかし、プラトンの後継者になると、特徴のない空虚という抽象的な概念ですらかなりの懐疑論に直面した。それは感覚で捉えることができず、それ自体がそれに見合った物理的体積以上の説明力を提供することもできず、定義上、文字通り何もないものであり、正当に存在するとは言えないものである。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、空虚を生じさせる可能性のある初期の希少性を直ちに埋めてしまうからである。アリストテレスは『物理学』第 4 巻で、空虚に対する数多くの反論を提示している。たとえば、障害のない媒体を通る運動は無限に継続することができ、何かが特定の場所で静止する理由はない、などである。

中世イスラム世界では、物理学者でイスラム学者のアル＝ファラビーが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まで膨張することができるため、完全な真空という概念は矛盾していると結論付けた。^[11]アフマド・ダラルによると、アブー・ライハン・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＝ジャザリーによって記述され、その後15世紀からヨーロッパに登場した。^{[13] [14]}

13世紀と14世紀のロジャー・ベーコン、パルマのブラシウス、ウォルター・バーリーなどのヨーロッパの学者は、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、 horr vacuiと呼ばれていた。神でさえも望めば真空を作ることはできないという推測さえあったが、1277年にエティエンヌ・タンピエ司教がパリで行った非難文では、神の力に制限はないことを要求し、神は望めば真空を作ることができるという結論に至った。^[15] 14世紀以降、アリストテレス的な観点から離れるにつれ、17世紀までには学者たちは宇宙自体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た。ストア派の物理学に影響されたこの考えは、自然と神学の関心を分離するのに役立った。^[16]

プラトンのほぼ 2000 年後、ルネ デカルトもまた、問題のある無と万物という空虚と原子の二分法を排した、幾何学に基づく原子論の代替理論を提唱しました。デカルトは、真空は自然界には存在しないという当時の立場に同意していましたが、彼の名を冠した座標系の成功、そしてより暗黙的に、彼の形而上学の空間的・物質的要素は、空虚な空間を体積の定量化された延長として哲学的に現代的に定義するようになりました。しかし、古代の定義では、方向情報と大きさは概念的に異なっていました。^[要出典]

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引き離したときに、たとえ一瞬でもその間に真空が存在するかどうかが検討された。 ^[17]板が離れるときに空気が十分に速く移動したかどうか、あるいはウォルター・バーリーの仮説のように「天体」が真空の発生を妨げたかどうかについては多くの議論があった。ジャン・ビュリダンは14世紀に、ポートが密閉されていると10頭の馬がふいごを引っ張っても開けられないと報告した。^[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ありました。^[18] エヴァンジェリスタ・トリチェリの1643年の水銀 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ました。

1654年、オットー・フォン・ゲーリケは最初の真空ポンプ^[19]を発明し、有名なマクデブルク半球実験を行い、半球の外側の大気圧のために、空気が部分的に排気された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を示しました。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開発しました。その後、部分真空の研究は、1850年にアウグスト・テプラーがテプラーポンプを発明し、1855年にハインリッヒ・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 まで中断されました。この真空レベルでは多くの電気的特性が観察されるため、さらなる研究への関心が高まりました。

宇宙空間は自然に発生する部分真空の最も希薄な例であるが、天空はもともとエーテルと呼ばれる硬くて壊れない物質で途切れることなく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、エーテルは名前の由来となった希薄な空気であると考えられるようになった（エーテル（神話）を参照）。初期の光理論では、光が伝播する地上および天体の遍在する媒体を想定していた。さらに、この概念はアイザック・ニュートンによる屈折と放射熱の説明にも影響を与えた。^[20] 19世紀のこの発光エーテルの実験では、地球の軌道に対する微小な抗力を検出しようとした。実際、地球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、抗力は検出できないほど小さい。 1912年、天文学者のヘンリー・ピカリングは「星間吸収媒体は単にエーテルかもしれないが、それは気体の特性を持ち、自由な気体分子は確かに存在する」とコメントした。^[21]しかし、その後、発光エーテルは放棄された。

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、いわゆるディラックの海として真空のモデルを提唱しました。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のに成功しました。ヴェルナー・ハイゼンベルクの不確定性原理は1927年に定式化され、瞬間的な位置と運動量、またはエネルギーと時間を測定できる基本的な限界を予測しました。この広範囲にわたる影響は、粒子間の空間の「空」が存在するかどうかも脅かしました。

真空を定義する最も厳格な基準は、応力エネルギー テンソルのすべての要素がゼロである空間と時間の領域です。これは、この領域にエネルギーと運動量がないことを意味し、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 (電磁気など) が存在しないことを意味します。

一般相対性理論では、応力エネルギーテンソルが消失することは、アインシュタインの場の方程式を通じて、リッチテンソルのすべての成分が消失することを意味します。真空は、時空の曲率が必ずしも平坦であることを意味す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（技術的には、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、真空で完全に「満たされた」領域でありながら、依然として強い曲率を示す優れた例です。

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あるいは完全真空と呼ばれることもあるが、これは電磁気効果の標準的な基準媒体である。^{[22] [23]}一部の著者はこの基準媒体を古典真空と呼んでいるが、^[22]これはこの概念をQED真空やQCD真空から区別するための用語であり、QED真空やQCD真空では真空の変動によって一時的な仮想粒子密度や比誘電率、比透磁率が必ずしも1ではない場合がある。 ^{[24] [25] [26]}

古典電磁気学の理論では、自由空間には次のような特性があります。

• 電磁波は、遮るものがなければ光速で伝わり、SI単位では299,792,458 m/sと定義されています。^[27]
• 重ね合わせの原理は常に真です。^[28]たとえば、2つの電荷によって生成される電位は、各電荷が単独で生成する電位の単純な加算です。これら2つの電荷の周りの任意の点における電場の値は、単独で作用する各電荷からの2つの電場のベクトル和を計算することによって求められます。
• 誘電率と透磁率は_、それぞれ電気定数ε0 ^[29]と磁気定数μ0 _、 ^[30]（SI単位系）または1（ガウス単位系）とまったく同じです。
• 特性インピーダンス（η ）は自由空間のインピーダンス Z0≈376.73Ω_に等しい。^[31]

古典電磁気学の真空はSI単位系における構成関係を持つ理想化された電磁媒体として見ることができる: ^[32]

${\displaystyle {\boldsymbol {D}}({\boldsymbol {r}},\ t)=\varepsilon _{0}{\boldsymbol {E}}({\boldsymbol {r}},\ t)\,}$

${\displaystyle {\boldsymbol {H}}({\boldsymbol {r}},\ t)={\frac {1}{\mu _{0}}}{\boldsymbol {B}}({\boldsymbol {r}},\ t)\,}$

変位電場D を電場 Eに、磁場またはH場H を磁気誘導またはB場Bに関連付けます。ここでrは空間位置、tは時間です。

量子力学と場の量子論では、真空は、エネルギーが最も低い状態（つまり、理論の方程式の解）（ヒルベルト空間の基底状態）として定義されます。量子電気力学では、この真空は「 QED 真空」と呼ばれ、 QCD 真空と示される量子色力学の真空と区別されます。QED 真空は、物質粒子（名前の由来）も光子もない状態です。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。（すべての物質粒子を何らかの方法である体積から取り除くことができたとしても、黒体光子をすべて除去することは不可能でしょう。）それでも、実現可能な真空の良いモデルを提供し、次に説明する多くの実験的観察と一致しています。

QED 真空は興味深く複雑な特性を持っています。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 真空には真空揺らぎ(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。真空揺らぎは量子場理論の不可欠かつ普遍的な部分です。実験的に検証された真空揺らぎの効果には、自然放出やラムシフトなどがあります。^[15] クーロンの法則と電荷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始まりと終わりは、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た理論では、配置空間内のエネルギーの各定常点は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あ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、完全な真空に物理的に最も近い状態です。しかし、1立方メートルあたり数個の水素原子が存在する星間空間でさえ、真に完全な真空は存在しません。^[5]

恒星、惑星、衛星は重力によって大気を維持しているため、大気には明確に区切られた境界がなく、大気の密度は物体からの距離とともに単純に減少する。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、 [36]}カルマン線は宇宙との境界の一般的な定義である。この線を超えると、等方性ガス圧は太陽からの放射圧や太陽風の動圧と比較して急速に重要ではなくなるため、圧力の定義の解釈が難しくなる。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する。天体物理学者は、これらの環境を立方センチメートルあたりの粒子の単位で記述するために、数密度を使用することを好む。

しかし、宇宙空間の定義を満たしているとはいえ、カルマン線から数百キロメートル以内の大気の密度は、衛星に大きな抗力を生じさせるのに十分である。ほとんどの人工衛星は、低地球軌道と呼ばれるこの領域で動作し、数週間ごと、または年に数回（太陽活動に応じて）エンジンを点火する必要がある。^{[37]ここでの抗力は、惑星}間旅行用に提案されている推進システムであるソーラーセイルの放射圧によって理論的に克服できるほど低い。^[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大量の光子と、おそらくそれに相当する大量のニュートリノで満たされている。この放射の現在の温度は約 3 K (-270.15  °C、-454.27  °F )である 。

真空の質はシステム内に残っている物質の量で示されるため、高品質の真空とは、物質がほとんど残っていない真空のことです。真空は主に絶対圧力で測定されますが、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、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。ガス密度が減少するにつれて 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い場合、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気体力学と呼ばれます。大気圧での空気の MFP は非常に短く、70  nmですが、100  mPa (≈10 ⁻³  Torr ) 室温の空気の MFP はおよそ 100 mm で、これは真空管などの日常的な物体と同程度です。クルックス放射計は、 MFP が羽根のサイズよりも大きいときに回転します。

真空品質は、それを達成または測定するために必要な技術に応じて範囲に細分化されます。これらの範囲は、次の表に示すように ISO 3529-1:2019 で定義されています (100 Pa は 0.75 Torr に相当します。Torr は非 SI 単位です)。

• 大気圧は可変ですが、101.325 キロパスカルと 100 キロパスカル (1013.25 mbar と 1000.00 mbar) が一般的な標準圧力または基準圧力です。
• 深宇宙は、一般的に人工真空よりもはるかに空っぽです。宇宙のどの領域や天体を考慮するかによって、上記の高真空の定義を満たす場合と満たさない場合があります。たとえば、惑星間空間の MFP は太陽系の大きさより小さいですが、小さな惑星や衛星より大きいです。その結果、太陽風は太陽系の規模では連続流を示しますが、地球と月に関しては粒子の衝突と見なす必要があります。
• 完全な真空とは、粒子がまったく存在しない理想的な状態です。実験室では実現できませんが、ほんの一瞬、物質の粒子がまったく存在しない小さな空間が存在することはあります。物質の粒子がすべて除去されたとしても、光子、暗黒エネルギー、仮想粒子、量子真空の他の側面は依然として存在します。

真空は圧力の単位で測定され、通常は地球の周囲の大気圧に対する減算として表されます。しかし、測定可能な相対真空の量は、地域の状況によって異なります。地表レベル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可能です。大気がほとんどない月の表面では、地域の環境と比較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、地球の海の深部では、通常よりもはるかに高い相対真空値が発生する可能性があります。10気圧 (98 メートル。9.8 メートルの海水柱は 1 気圧に相当します) の深さまで沈められた潜水艦は、実質的には外部の圧倒的な水圧を遮断する真空室となりますが、潜水艦内部の 1 気圧は通常は真空とは見なされません。

したがって、真空測定に関する以下の説明を正しく理解するには、相対測定が地球上の海面で、周囲大気圧のちょうど 1 気圧で行われていることを読者が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、真空はイタリアの物理学者トリチェリ (1608–1647) にちなんでトルで測定されることが多いです。トルは、圧力計における 1 ミリメートル水銀柱 ( mmHg ) の変位に等しく、1トルは絶対零度より 133.3223684 パスカル高い圧力に相当します。真空は、気圧計で測定されることもあれば、バールまたは気圧での気圧のパーセンテージとして測定されることもよくあります。低真空は、標準大気圧より低い水銀柱ミリメートル( mmHg ) またはパスカル ( Pa )で測定されることが多いです。「大気圧より低い」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。

言い換えれば、ほとんどの低真空ゲージは、たとえば 50.79 Torr と示します。多くの安価な低真空ゲージには誤差があり、0 Torr の真空度を示すことがありますが、実際には、1 Torr をはるかに超える (1 Torr より低い) 真空度にするには、通常、2 段ロータリー ベーンまたはその他の中程度の真空ポンプが必要です。

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ています。^[39]

静水圧計 (水銀柱マノメータなど) は、両端が異なる圧力にさらされているチューブ内の垂直の液体柱で構成されています。 柱は、その重量がチューブの両端の圧力差と平衡になるまで上昇または下降します。 最も単純な設計は、片側が対象領域に接続された、端が閉じた U 字型のチューブです。 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ため、水銀が好まれます。 単純な静水圧計は、1 torr (100 Pa) から大気圧を超える圧力まで測定できます。 重要なバリエーションは、既知の真空容積を分離して圧縮し、液柱の高さの変化を増幅するマクラウド真空計です。 マクラウド真空計は、10 ⁻⁶ torr (0.1 mPa)までの真空を測定できます 。 これは、現在の技術で直接測定できる最も低い圧力です。 他の真空計はより低い圧力を測定できますが、他の圧力制御特性の測定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は、直接的な測定、最も一般的なもの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、凝縮器の蒸気空間、つまりタービンの最終段の排気口の真空を測定します。^[41]

機械式または弾性式圧力計は、通常は金属製のブルドン管、ダイヤフラム、またはカプセルを使用しており、対象領域の圧力に応じて形状が変化します。このアイデアのバリエーションが静電容量マノメータで、ダイヤフラムはコンデンサの一部を形成します。圧力が変化するとダイヤフラムが曲がり、静電容量が変化します。これらの圧力計は、10 ³  torr から 10 ⁻⁴  torr まで、およびそれ以上の圧力で有効です。

熱伝導率計は、圧力によってガスの熱伝導能力が低下するという事実を利用しています。このタイプの計器では、電流を流すことでワイヤーフィラメントを加熱します。 次に、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できます。この温度は、フィラメントが周囲のガスに熱を奪われる速度、つまり熱伝導率に依存します。一般的なバリエーションは、加熱要素と RTD の両方として単一の白金フィラメントを使用するピラニ ゲージです。これらの計器は 10 torr から 10 ⁻³ torrまで正確です が、測定対象のガスの化学組成に敏感です。

イオン化ゲージは超高真空で使用されます。イオン化ゲージには、熱陰極と冷陰極の 2 種類があります。熱陰極バージョンでは、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。電子はゲージ内を移動し、周囲のガス分子をイオン化します。結果として生じたイオンは負極で収集されます。電流はイオンの数によって決まり、イオンの数はゲージ内の圧力によって決まります。熱陰極ゲージの精度は 10 ⁻³  torr から 10 ^{−10 torr です。}冷陰極バージョンの原理は同じですが、電子は高電圧放電によって生じた放電で生成される点が異なります。冷陰極ゲージの精度は 10 ⁻²  torr から 10 ⁻⁹  torr です。イオン化ゲージの校正は、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。校正は、大気圧または低真空での活性化によって無効になることがあります。高真空でのガスの組成は通常予測不可能であるため、正確な測定を行うにはイオン化ゲージ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デバイスで役立ちます。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、真空揚げにも役立ちます。超高真空は原子的に清浄な基板の研究に使用されます。これは、非常に良好な真空のみが、原子スケールの清浄な表面をかなり長い時間 (数分から数日) 維持できるためです。高真空から超高真空では、空気による障害がなくなり、粒子ビームが汚染なしに材料を堆積または除去できるようになります。これが、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蒸着、物理蒸着、ドライエッチングの原理です。対流の減少により、魔法瓶が断熱されます。深真空は液体の沸点を下げ、低温でのガス放出を促進します。これは凍結乾燥、接着剤の調製、蒸留、冶金、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（ブラウン管を含む）が可能になります。真空遮断器は電気スイッチギアに使用されます。 真空アークプロセスは、特定のグレードの鋼や高純度材料の生産において工業的に重要です。空気摩擦の排除は、フライホイールエネルギー貯蔵や超遠心分離機に役立ちます。

真空は吸引力を発生させるためによく使われ、その用途はさらに多岐にわたります。ニューコメン蒸気機関は、ピストンを駆動するために圧力ではなく真空を使用しました。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の牽引に真空が使用されました。 真空ブレーキはかつて英国の列車で広く使用されていましたが、歴史的鉄道を除いて、空気ブレーキに置き換えられました。

マニホールドの真空は、自動車の付属品を駆動するために使用できます。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。旧式の用途には、真空駆動のフロントガラスワイパーやAutovac燃料ポンプなどがあります。一部の航空機計器 (姿勢指示器 (AI)および方位指示器 (HI) ) は、初期の航空機には電気システムが搭載されていないことが多く、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 つの真空源があるため、すべての (電動) 計器の損失に対する保護として、通常は真空駆動です。 真空誘導溶解では、真空内での電磁誘導を使用します。

凝縮器内の真空を維持することは、蒸気タービンの効率的な運転の重要な側面です。この目的には、蒸気ジェットエジェクタまたは液体リング真空ポンプが使用されます。タービンの排気口にある凝縮器蒸気空間で維持される典型的な真空 (凝縮器背圧とも呼ばれます) は、凝縮器の種類と周囲の条件に応じて、5 ～ 15 kPa (絶対) の範囲です。

真空中への蒸発と昇華はガス放出と呼ばれます。固体、液体を問わずすべての物質には小さな蒸気圧があり、真空圧がこの蒸気圧を下回るとガス放出が重要になります。ガス放出は漏れと同じ効果があり、達成可能な真空を制限します。ガス放出生成物は近くのより冷たい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になります。これは宇宙ミッションにとって大きな懸念事項であり、望遠鏡や太陽電池が遮られると高価なミッションが台無しになる可能性があります。

真空システムで最も一般的なガス放出生成物は、チャンバー材料に吸収された水です。チャンバーを乾燥またはベーキングし、吸収性材料を除去することで、ガス放出を減らすことができます。ガス放出された水は、ガスバラストを使用しない場合、ロータリーベーンポンプのオイル内で凝縮し、ポンプの正味速度を大幅に低下させる可能性があります。ガス放出を最小限に抑えるには、高真空システムを清潔に保ち、有機物を排除する必要があります。

超高真空システムは通常、できれば真空下で焼成され、すべてのガス放出物質の蒸気圧を一時的に上げて蒸発させます。ガス放出物質の大部分が蒸発して排気されたら、システムを冷却して蒸気圧を下げ、実際の動作中に残留ガス放出を最小限に抑えます。一部のシステムでは、残留ガス放出を遮断す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、液体窒素で室温よりはるかに低い温度に冷却します。

一般的に液体は引っ張ることができないため、吸引によって真空状態を作り出すことはできません。吸引は、より高い圧力で液体を押し込むことで真空状態を広げたり薄めたりすることができますが、吸引を行う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。たとえば、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下がり、部分的な真空状態が生まれますが、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。

無限に拡大することなくチャンバーを無期限に排気し続けるには、真空の区画を繰り返し閉じ、排気し、再び拡張することができます。これは、手動のウォーターポンプなどの容積式ポンプの原理です。ポンプ内部では、メカニズムによって小さな密閉された空洞が拡張され、真空が生成されます。圧力差により、チャンバー（またはこの例では井戸）からの流体がポンプの小さな空洞に押し込まれます。次に、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、小さなサイズに圧縮されます。

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範囲を代表するものではありません。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。運動量転送ポンプは、高圧で使用されるダイナミックポンプといくつかの類似点があり、容積式ポンプよりもはるかに高品質の真空を実現できます。エントラップメントポンプは、多くの場合、可動部品、シール、振動なしで、固体または吸収された状態のガスを捕捉できます。これらのポンプはどれも万能ではなく、それぞれの種類に重要なパフォーマンス上の制限があります。低分子量ガス、特に水素、ヘリウム、ネオンのポンプでの排気が困難であるという点は、すべてに共通しています。

システムで達成できる最低圧力は、ポンプの特性以外にも多くの要因によって決まります。複数のポンプを直列に接続してステージと呼び、より高い真空度を実現します。シール、チャンバーの形状、材料、ポンプダウン手順の選択はすべて影響を及ぼします。これらをまとめて真空技術と呼びます。また、最終圧力だけが関連する特性ではない場合もあります。ポンプ システムは、オイル汚染、振動、特定のガスの優先ポンプ、ポンプダウン速度、断続的なデューティ サイクル、信頼性、または高漏れ率に対する許容度が異なります。

超高真空システムでは、非常に「奇妙な」漏れ経路とガス放出源を考慮する必要があります。アルミニウムとパラジウムの吸水性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着性も考慮する必要があります。一部の油やグリースは、極度の真空状態では蒸発します。金属製のチャンバー壁の透過性を考慮する必要がある場合があり、金属製フランジの木目方向はフランジ面と平行である必要があります。

^現在、実験室で達成可能な最低圧力は約1 × 10−13トル（13pPa）である。^[43] しかし、4K（−269.15℃、−452.47℉）の極低温真空システムでは、5 × ¹⁰⁻¹⁷トル（6.7fPa）という低い圧力が間接的に測定されている。^{[4]これは、 1cm3}あたり約100個の粒子に相当します。

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下がりますが、血管の弾性圧力により、この沸点は体温である37℃よりも高いままです。^[44]血液は沸騰しませんが、減圧による体液中のガス泡の形成はエブリズムと呼ばれ、依然として懸念されています。ガスにより体が通常の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、組織は破裂を防ぐのに十分な弾力性と多孔質性を備えています。^{[45]腫れやエブリズムは、}フライトスーツに封じ込めることで抑制できます。シャトルの宇宙飛行士は、2kPa（15Torr）という低圧でもエブリズムを防ぐ、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類を着用しました。^[46]急速に沸騰させると皮膚が冷えて、特に口の中に霜が降りますが、これは重大な危険ではありません。

動物実験では、90秒未満の真空への曝露では迅速かつ完全な回復が正常であるのに対し、全身へのより長い曝露は致命的であり、蘇生が成功したことはないことが示されています。^[47] NASAによる8匹のチンパンジーの研究では、そのすべてが2分半の真空への曝露を生き延びました。^[48]人間の事故に関す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。呼吸が妨げられていない場合、手足ははるかに長い時間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。

実験によれば、植物は低圧環境（1.5kPa）で約30分間生存できることが示されています。^{[50] [51]}

冷たい、または酸素が豊富な大気は、酸素の密度が標準的な海面大気の密度と同様である限り、大気圧よりはるかに低い圧力でも生命を維持できる。高度3kmまでの空気の温度は低く、通常そこでの低圧を補う。^[49]この高度を超えると、事前の順応を受けていない人間の高山病を防ぐために酸素濃縮が必要であり、 19kmを超えるとエブルリズムを防ぐために宇宙服が必要となる。^[49] ほとんどの宇宙服は20kPa（150Torr）の純酸素のみを使用する。この圧力はエブルリズムを防ぐのに十分な高さだが、減圧率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る。

急速な減圧は真空にさらされること自体よりもはるかに危険です。被害者が息を止めていなくても、気管からの排気は肺の繊細な肺胞の致命的な破裂を防ぐには遅すぎる可能性があります。^{[49]急速な減圧により}鼓膜と副鼻腔が破裂したり、軟部組織が傷ついて出血したり、ショックによるストレスで酸素消費が加速して低酸素症を引き起こしたりする可能性があります。^{[52]急速な減圧によって引き起こされる傷害は}気圧外傷と呼ばれます。13 kPa (100 Torr) の圧力低下は、徐々にであれば症状を引き起こしませんが、突然起こると致命的になる可能性があります。^[49]

クマムシなどの極限環境 微生物の中には、真空状態で数日から数週間生存できるものもある。^[53]

• ヘニング・ゲンツ（2001年）。『無：空の科学』ダ・カーポ・プレス。ISBN 978-0-7382-0610-3。
• ルチアーノ・ボイ（2011年）。『量子真空：電気力学から弦理論、微視的世界の幾何学まで、科学的かつ哲学的な概念』ジョンズ・ホプキンス大学出版局。ISBN 978-1-4214-0247-5。

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ウィキメディア・コモンズには、真空に関連するメディアがあります。

• ライボルト – 真空技術の基礎 (PDF)
• カナダの天体物理学者ドクターPによる真空の性質に関するビデオ
• 真空コーティング技術の基礎
• アメリカ真空協会
• 真空科学技術ジャーナルA
• 真空科学技術ジャーナル B
• 爆発的減圧と真空暴露に関する FAQ。
• 強真空への曝露が人間に与える影響についての議論。
• Roberts, Mark D. (2000). 「真空エネルギー」.高エネルギー物理学 – 理論: hep–th/0012062. arXiv : hep-th/0012062 . Bibcode :2000hep.th...12062R.
• 真空、宇宙の生産
• グレシャム大学ジョン・D・バロー教授著「空騒ぎ」
• Johann Rafelskiと Berndt Muller著『The Structured Vacuum – thinking about nothing』 （1985 年、 ISBN 3-87144-889-3 ）の無料 PDF コピー。