miniaturadaimagem|300x300px|Bomba de vácuo e campânula usadas em experiências de ensino de ciências no início do século XX, expostas na Schulhistorische Sammlung, o Museu Histórico Escolar de Bremerhaven, na Alemanha
Vácuo é um espaço sem matéria. A palavra vem do adjetivo latino vacuus, cuja forma neutra é vacuum, e significa "vazio". Uma região em que a pressão de um gás é muito menor que a pressão atmosférica se aproxima dessa condição. Na física, é comum discutir resultados ideais que seriam obtidos em um vácuo perfeito, também chamado simplesmente de "vácuo" ou espaço livre. A expressão vácuo parcial se refere a um vácuo real e imperfeito, como os encontrados em laboratórios ou no espaço sideral. Na engenharia e na física aplicada, vácuo é qualquer espaço cuja pressão seja consideravelmente inferior à atmosférica. A expressão latina in vacuo se aplica a um objeto que está no vácuo. A retirada de matéria de um sistema por um dispositivo mecânico para produzir vácuo recebe o nome de evacuação. O sistema pode ser fechado, como uma câmara de vácuo, ou aberto, como uma mangueira de vácuo. As substâncias retiradas podem ser capturadas em outro ponto do fluxo e mantidas sob vácuo, sendo então coletadas pelo sistema. A força mecânica que a atmosfera exerce sobre o ar e sobre materiais que obstruem sua entrada em uma região de vácuo é chamada de sucção.
A qualidade de um vácuo parcial depende de quanto ele se aproxima de um vácuo perfeito. Mantidas as demais condições, quanto menor a pressão do gás, melhor a qualidade do vácuo. Um aspirador comum, por exemplo, produz sucção suficiente para reduzir a pressão do ar em cerca de 20%. Uma coluna de água de 2,54 cm corresponde a cerca de 250 Pa. É possível obter vácuos de qualidade muito superior. Câmaras de ultra-alto vácuo, usadas em química, física e engenharia, podem operar abaixo de um trilionésimo da pressão atmosférica, ou 10−12 dessa pressão, cerca de 100 nPa, e podem chegar a aproximadamente 100 partículas/cm3. Nas regiões mais rarefeitas entre as galáxias, a densidade pode cair para cerca de um átomo por metro cúbico.
O vácuo é tema de debates filosóficos desde a Grécia Antiga, mas seu estudo experimental começou apenas no século XVII. Em 1605, Clemens Timpler discutiu a possibilidade de produzir vácuo em pequenos tubos. Em 1644, Evangelista Torricelli comunicou os resultados de sua experiência com um tubo cheio de mercúrio. Suas ideias sobre a pressão atmosférica deram origem a outras técnicas experimentais. Para criar um vácuo torricelliano, enche-se de mercúrio um tubo alto de vidro, fechado em uma das extremidades, e depois ele é invertido em uma cuba com mercúrio.
O uso industrial do vácuo se difundiu no século XX com as lâmpadas incandescentes e as válvulas termiônicas. Desde então, foram desenvolvidas tecnologias de vácuo para muitas outras aplicações. O desenvolvimento do voo espacial tripulado ampliou o interesse pelos efeitos do vácuo sobre a saúde humana e os demais seres vivos.
Etimologia A palavra vácuo vem do latim vacuum, "espaço vazio", uso substantivado da forma neutra de vacuus, "vazio". O adjetivo deriva de vacare, "estar vazio".
Em inglês, vacuum tem os plurais vacuums e vacua. É uma das poucas palavras do idioma em que a vogal u ocorre duas vezes seguidas.
Concepções históricas A possibilidade de existir um espaço sem matéria foi objeto de muita discussão. Os filósofos da Grécia Antiga debatiam a existência do vácuo, ou vazio, ao discutir o atomismo, que tomava o vazio e os átomos como elementos básicos da explicação dos fenômenos físicos. Lucrécio defendeu a existência do vácuo no século I a.C., e Heron de Alexandria tentou produzi-lo artificialmente no século I d.C., sem sucesso.
Na filosofia de Platão e de seus seguidores, até mesmo a ideia abstrata de um vazio sem propriedades encontrava resistência. Ele não poderia ser percebido pelos sentidos nem explicar algo além do volume físico que ocupava. Por definição, seria literalmente nada, e não faria sentido afirmar que o nada existe. Aristóteles acreditava que o vazio não poderia ocorrer na natureza, pois a matéria contínua e mais densa ao redor preencheria imediatamente qualquer rarefação que pudesse produzi-lo. No livro IV da Física, apresentou argumentos contra sua existência. Um deles era que um corpo em movimento, em um meio sem resistência, poderia continuar a se mover indefinidamente, pois não haveria motivo para parar em um ponto específico.
No mundo muçulmano medieval, o físico e estudioso do islã Al-Farabi escreveu, no século X, um tratado em que rejeitou a existência do vácuo. Para ele, o ar podia se expandir até preencher o espaço disponível, o que tornava incoerente a ideia de um vácuo perfeito.. Na interpretação de Ahmad Dallal, Al-Biruni afirmava que nenhuma observação excluía a possibilidade de existir vácuo. O engenheiro árabe Al-Jazari apresentou uma bomba de sucção no século XIII. Esse tipo de bomba passou a ser usado na Europa a partir do século XV. Ver também Mechanical Engineering, do mesmo autor, arquivado em 25 de dezembro de 2007.
Nos séculos XIII e XIV, pensadores da escolástica europeia, como Roger Bacon, Blásio de Parma e Walter Burley, dedicaram atenção ao conceito de vácuo. A ideia de que a natureza tinha aversão ao vazio recebia o nome de horror vacui. Chegou-se a cogitar que nem Deus poderia criar um vácuo, mesmo que o desejasse. As condenações de Paris de 1277, promulgadas pelo bispo Étienne Tempier, não admitiam limites ao poder divino. Isso levou à conclusão de que Deus poderia criar um vácuo se assim quisesse. A partir do século XIV, houve um afastamento gradual da posição aristotélica. No século XVII, já era amplamente aceita entre os estudiosos a existência de um vazio sobrenatural além dos limites do cosmo. Essa ideia, inspirada na física estoica, permitia separar questões da natureza e da teologia.
Quase dois mil anos depois de Platão, René Descartes propôs uma explicação da matéria baseada na geometria, mas rejeitou os átomos indivisíveis e a existência do vácuo. Para ele, a extensão em comprimento, largura e profundidade era a própria essência dos corpos. O espaço não poderia existir separado da matéria, e o espaço vazio seria uma contradição. Sua noção de espaço resultava de uma abstração da extensão dos corpos, cuja forma, tamanho e posição poderiam ser considerados sem distinguir a matéria que os ocupava.
miniaturadaimagem|100px|esquerda|O barômetro de mercúrio de Torricelli produziu um dos primeiros vácuos mantidos em laboratório
Experimentos mentais medievais examinavam a possibilidade de surgir um vácuo, ainda que por um instante, entre duas placas planas separadas rapidamente. Discutia-se se o ar entraria com rapidez suficiente entre as placas ou se, como propunha Walter Burley, um "agente celeste" impediria a formação do vazio. No século XIV, Jean Buridan relatou que equipes de dez cavalos não conseguiam abrir um fole quando sua abertura estava vedada.
direita|miniaturadaimagem|O tubo de Crookes, usado na descoberta e no estudo dos raios catódicos, foi desenvolvido a partir do tubo de Geissler
As primeiras tentativas de medir quantitativamente o vácuo parcial ocorreram no século XVII. O barômetro de mercúrio de Torricelli, apresentado em uma carta de 1644, e os experimentos de Blaise Pascal demonstraram a existência de vácuo parcial.
Em 1654, Otto von Guericke apresentou sua bomba de vácuo e realizou a experiência dos hemisférios de Magdeburgo. A pressão atmosférica externa impedia que equipes de cavalos separassem dois hemisférios dos quais parte do ar havia sido retirada. Robert Boyle aperfeiçoou o projeto de Guericke e, com a ajuda de Robert Hooke, desenvolveu a tecnologia das bombas de vácuo. Em 1855, Heinrich Geissler construiu uma bomba de deslocamento de mercúrio capaz de alcançar pressões de cerca de 13 Pa, o que permitiu estudar descargas elétricas em gases rarefeitos. Em 1862, August Toepler aperfeiçoou esse sistema com a bomba de Toepler.
Embora o espaço sideral seja o exemplo natural mais rarefeito de vácuo parcial, acreditava-se que os céus eram inteiramente preenchidos por uma substância rígida e indestrutível chamada éter. Com ideias tomadas em parte do pneuma estoico, o éter passou a ser entendido como o ar rarefeito do qual recebeu seu nome, também presente na figura mitológica de Éter. As primeiras teorias da luz pressupunham um meio presente na Terra e nos céus pelo qual ela se propagava. Isaac Newton também recorreu a esse conceito em suas explicações da refração e do calor radiante. No século XIX, experiências sobre o éter luminífero buscaram detectar o movimento da Terra em relação a esse meio por meio da propagação da luz. O experimento de Michelson e Morley não encontrou o efeito esperado. Em 1912, o astrônomo Henry Pickering admitiu que o meio absorvente interestelar poderia ser o éter, mas observou que ele tinha características de gás e continha moléculas gasosas livres. A hipótese do éter luminífero foi abandonada.
Em 1930, Paul Dirac propôs um modelo do vácuo como um mar infinito de partículas com energia negativa, o mar de Dirac. A teoria aperfeiçoou as previsões da equação de Dirac e previu a existência do pósitron, confirmada dois anos depois. O princípio da incerteza, formulado por Werner Heisenberg em 1927, estabeleceu limites fundamentais à determinação simultânea da posição e do momento linear, assim como uma relação de incerteza entre energia e tempo. Essas ideias também puseram em dúvida a noção de um espaço inteiramente "vazio" entre as partículas.
Teorias clássicas de campos Nas teorias clássicas de campos, uma definição estrita de vácuo exige que todos os componentes do tensor de energia-momento sejam nulos em uma região do espaço-tempo. Nessa região não há densidade de energia nem fluxo de momento provenientes da matéria ou de campos não gravitacionais, como o eletromagnético.
Gravidade Na relatividade geral, quando a constante cosmológica é nula, as equações de campo de Einstein estabelecem que um tensor de energia-momento nulo implica um tensor de Ricci também nulo. Isso não exige que o espaço-tempo seja plano. O campo gravitacional pode produzir curvatura no vácuo, com forças de maré e ondas gravitacionais. Essa curvatura é expressa pelo tensor de Weyl. A região de vácuo ao redor de um buraco negro sem carga elétrica, por exemplo, pode apresentar uma curvatura intensa.
Eletromagnetismo No eletromagnetismo clássico, o vácuo do espaço livre, também chamado de espaço livre ou vácuo perfeito, é um meio de referência para os fenômenos eletromagnéticos. Seção 3.1.1, "Free space". Alguns autores o chamam de vácuo clássico para distingui-lo do vácuo da eletrodinâmica quântica e do vácuo da cromodinâmica quântica. Nesses últimos, as flutuações do vácuo podem produzir densidades transitórias de partículas virtuais, além de permissividade relativa e permeabilidade relativa diferentes de um.Discussão qualitativa das flutuações do vácuo e das partículas virtuais em A permeabilidade e a permissividade relativas dos vácuos da teoria de campos são discutidas em e em e também em O vácuo da QCD é paramagnético, e o vácuo da QED é diamagnético. Ver
No eletromagnetismo clássico, o espaço livre tem as seguintes propriedades. A radiação eletromagnética se propaga sem obstáculos à velocidade da luz, definida como 299.792.458 m/s no Sistema Internacional de Unidades. O princípio da superposição é sempre exato. Por exemplo, o potencial elétrico produzido por duas cargas é a soma dos potenciais que cada uma produziria isoladamente. O campo elétrico em qualquer ponto ao redor dessas cargas é obtido pela soma vetorial dos campos produzidos por cada carga. No Sistema Internacional, a permissividade é igual à constante elétrica ε0, e a permeabilidade é igual à constante magnética μ0. Nas unidades gaussianas, ambas são iguais a um. A impedância característica η é igual à impedância do espaço livre, Z0 ≈ 376,73 Ω.