1. 개요
眞 空 / Vacuum, Free space고전적인 진공은 "물질이 전혀 존재하지 않는 공간"을 가리킨다.
2. 설명
영어 등에서 진공을 가리키는 단어인 베큐엄(vacuum)은 '비어 있다'는 뜻의 라틴어 단어 '바쿠스(vacuus)'에서 유래한 것[1]이며, 우리말과 한자의 '진공(眞空)'은 '진짜로 텅 비었다'는 의미.일반인들도 진공관이나 진공 청소기, 진공 보온병 같은 용어를 통해 일상적으로 접할 수 있기 때문에 일반인에게도 친숙한 단어이다. 그러나 우리가 일반적으로 생각하는 진공은 진짜 진공이 아니다. 진공 청소기는 진공은커녕 대기압의 80퍼센트 정도이며, 대개는 1/1000 mmHg 정도 이하의 저압이면 진공이라고 불러준다. 과학 실험이나 정밀공학 등을 위해 초저기압 상태를 만드는 경우에도 완전한 0기압이 아니며 대개 100나노파스칼 정도의 기압이 존재한다. 이처럼 고전적인 의미로도 진정한 진공은 만들어내기가 거의 불가능하며, 양자역학에서 말하는 진공은 더더욱 만들기 힘들다. '진공' 내에서도 입자들이 마구 생겨나기 때문이다.
흔히 진공은 공간 내에 '공기'가 없는 상태를 가리킨다고 오해하는데, 공간 내에 '물질'이 없는 상태가 진공이다. 즉 산소, 질소 같은 기체 분자만 없다고 진공인 것이 아니다. 기체 이외의 입자, 예를 들어 철이나 규소 입자 같은 게 있어도 진공이 아니다.
진공도는 저압 상태의 공기의 압력을 그대로 이용하여 표현한다.
진공도는 압력과 남아있는 기체 종류에 따라 저진공, 고진공, 초고진공 정도로 분류할 수 있다. 진공을 뽑게 되면 가장 먼저 산소나 질소 등 공기를 이루는 주요한 가스가 먼저 빠져나가고 (저진공), 그 뒤로 챔버에 붙어 있던 수분이나 다른 가스들이 빠져나오고 (고진공), 마지막으로 수소나 헬륨같은 가벼운 기체들이 빠져나오는데 (초고진공), 사실 수소랑 헬륨 가스는 너무 가벼워서 펌프만 가지고 빼내기 쉽지 않다. 쉽게 말해 진공을 잡게 되면 무거운 기체 원소, 수분과 챔버에 붙어있던 기체 분자들, 가벼운 기체 원소 또 순으로 빠져나가게 된다. 그 결과 진공도에 따라서 챔버 안의 기체 분포에 차이가 생기게 된다.
우리가 일상에서 보는 진공은 저진공으로 주로 건조, 보존에 활용되며 산업군에서는 저진공과 고진공을 많이 사용하게 된다. 전자현미경 같은 분석 장비는 고진공을 주로 사용하며, 전계방출형 전자현미경의 전자총이나 그 외 매우 정밀한 장비의 경우 초고진공을 잡는 경우도 있다. 초고진공은 주로 우주환경 실험실 등 특수한 목적의 실험실 등에서 활용된다.
진공도가 높아질수록 기체 분자들은 골고루 퍼진 상태에서 챔버 표면 쪽으로 몰리게 되며 저진공에서 고진공 상태로 넘어가게 되면 기체의 거동도 점성유동에서 분자유동으로 변화한다. 점성 유동은 우리가 일반적으로 아는 상식처럼 기체를 펌프 같은걸로 빨아드리면 기체 분자가 딸려오는 거동을 보이지만 분자 유동 부터는 펌프로 빨아도 기체 분자가 반응하지 않고 제멋대로 떠돌아 다니는 거동을 보인다. 이런 까닭에 고진공 펌프부터는 마음대로 떠돌아 다니는 분자가 펌프 주변을 지나가면 강제로 분자를 펌프 쪽으로 끌어내려서 뽑아내거나(확산펌프, 터보 분자 펌프) 기체 분자가 돌아다니지 못하게 가두거나(크라이오(극저온) 펌프) 다른 물질과 반응시켜서 무력화 시키는(이온 펌프) 방법을 사용해 잔류 기체 분자를 제거한다.
아리스토텔레스가 "더 이상 쪼개지지 않는 알갱이는 존재하지 않는다. 따라서 우주는 연속된 물질로 가득차 있다. 그러므로 자연에는 진공이 존재하지 않는다"고 추론한 이래 "자연은 진공을 싫어한다"라는 믿음은 중세까지 이어져왔으나, 1643년 갈릴레오 갈릴레이의 제자 토리첼리가 실험을 통해 진공의 존재를 재연했다.
그후 보일과 홉스의 논증을 통해 진공의 존재를 학계에서 인정하게 됐으며, 실험론에 입각한 과학이 온전하게 자연철학과 분리되는 계기가 되었다.
물리나 화학 및 관련 공학 분야에서
우주 공간이 진공상태인지라 과학지식이 부족한 사람들이 진공상태와 무중력 상태를 자주 혼동하는 모습을 보인다. 이해가 부족한 영화나 만화 등에서 진공 상태라며 사람과 물체가 마구 떠오르는 묘사를 보여주는 것이 대표적인 예.
진공 엔진이라는 외연기관이나 진공 청소기는 상대적 기압차를 이용하는 물건이다. 진공관 역시 유리관 속을 진공에 가깝도록 기압을 낮춰놓고 전기를 흘려 전자 방출 현상을 이용하는 물건이다.
통상 압력의 대기 중에서 물체가 매우 빠르게 움직일 때도 기압차가 발생해서 소리가 나거나, 음속을 넘어설 만큼 속도가 높아지면 국소적으로 순간적인 진공 상태가 발생하여 큰 파열음과 함께 충격파가 발생한다. 이것이 소닉붐이다. 이 정도로 빠른 속도를 인간이 손에 든 무기로 발생시키는 건 채찍을 제외하면 현실적으로는 무리지만 창작물 등에서 검이나 주먹을 휘둘러 충격파를 내는 연출은 꽤나 간지가 나기에 자주 활용되곤 한다. 그것과 관련이 있는 것인지, 창작물 속 기술 이름이나 무기 이름에 종종 '진공'이 들어가는 경우가 있다.
흔히 진공상태에 사람이 노출되면 낮은 압력 때문에 터져죽는다고 생각하지만, 실제로는 그렇지 않다. 진공이래봐야 1기압에서 0기압으로 줄어든것 뿐이니까. 단순한 비교로, 수심 10m에[2] 살고 있던 물고기를 대기중에 꺼낸다고 해서 물고기가 터지지 않는 것과 마찬가지다.[3] 외려 수백 기압 수준으로 증가할 수 있는 수압이 더 무섭다. 자세한 건 우주 공간에 맨몸으로 나가면 터져 죽는다 문서 참고.
그런데 반대로 대기중에서 용기에 진공이 과도하게 방생하는 경우에는 내파(implosion)라는 현상이 나타날 수 있다. 이 현상은 사막 같은 더운 지역을 통과하는 화물열차의 탱크용기차 등에서 나타날 수 있는데, 데워진 공기가 냉각되면서 용기 내부의 기체가 수축하게 되고 압력 차이로 인해 그 탄탄한 탱크용기가 찌그러지는 경우가 종종 있다. 좀 더 쉽게 설명하면 빈 생수병에 입을 대고 강하게 숨을 마시면 패트병이 찌그러지는데 이것이 과하면 내파라는 현상으로 이어질 수 있다.
이렇게 길게 써놨지만 진공도 양자역학으로 오면 많이 달라지는데...
2.1. 양자 진공 요동
양자진공을 이해하는 가장 유명한 방법 중 하나는 우선 에너지-시간 불확정성을 이해하는 것이다. (일단 절대 불확정할 것같지 않은 두 변수의 불확정성을 배우는 것부터 힘들다)에너지-시간 불확정성을 이해하고 나면, 다음과 같은 설명이 가능해진다. 우선, 진공 속에서 입자가 갑자기 생겨난다. (이런 입자를 가상입자라고 부른다.) 그리고 진공을 자유롭게 움직이다가, 에너지-시간 불확정성에 위배되지 않기 위한 최소한의 시간 동안 존재하다가 사라진다.
호킹 복사는 여기서 입자와 반입자쌍이 생겨났을 때 입자 또는 반입자중 한 개가 빨려들어가 블랙홀의 에너지가 줄어드는(수명이 줄어드는) 현상을 예측한 것이다.