Чи можливо створити ідеальний вакуум

Всесвіт вирує матерією та енергією.
Навіть у безмежній порожнечі міжгалактичного простору в кожному кубічному метрі знайдеться один атом водню.
Не кажучи вже про неперервні потоки частинок та електромагнітне випромінювання від зірок і цілих галактик, а також акреційних дисків біля чорних дір.
Також повсюди існує реліктове випромінювання - відгомін Великого вибуху.
Але, чи існує в принципі така річ, як повна відсутність усього?
І це не абстрактне запитання.
Порожній простір, або вакуум, надзвичайно корисний.
В наших помешканнях більшість пилосмоків працюють завдяки вентилятору, який створює область простору з відносно низьким тиском, всмоктуючи речовину, щоб заповнити пустоту всередині.
Але це ще далеко не порожній простір.
Всередині пилосмока дуже багато речовини.
У промисловості застосовуються вакуумні насоси, які створюють більш глибокий вакуум для різних цілей.
Продукти харчування у вакуумній упаковці залишаються свіжими довше.
Частковий вакуум всередині ламп розжарення захищає металеву нитку від деградації.
Але такі види вакууму зазвичай створюються за тим же принципом, що і розрідження в пилосмоку, за допомогою потужних насосів, які забезпечують достатній рівень всмоктування, щоб видалити якнайбільше вільних атомів.
Але навіть найкращий технологічний процес залишатиме сотні мільйонів атомів на кожен кубічний сантиметр.
Для вчених, які ставлять експерименти, такого вакууму недостатньо.
Наприклад, у Великому адронному коллайдері пучки частинок повинні циркулювати на швидкості близькій до світлової впродовж десяти годин, не стикаючись при цьому з жодними вільними атомами.
То як вчені отримують вакуум?
Труби коллайдера виготовлені з нержавіючої сталі, яка не вивільняє своїх атомів, і вони мають спеціальне покриття для поглинання паразитних газів.
Підвищення температури до +200 градусів за Цельсієм дозволяє випарувати всю вологу, після чого сотні вакуумних насосів протягом двох тижнів викачують із труб коллайдера газ і домішки, що там залишилися.
І все це для надзвичайно чутливих і точних експериментів на ВАК.
Проте, незважаючи на все це, у Великому адронному коллайдері не ідеальний вакуум.
Навіть в найпорожніших його місцях є ще приблизно 100 тисяч частинок на кубічний сантиметр.
Припустімо, що комусь вдалось вилучити всі частинки аж до останнього атома.
Однаково, навколо є багато джерел іонізуючого випромінювання, яке може проходити крізь стіни.
Щосекунди близько 50 мюонів у космічних променях, 10 мільйонів нейтрино, що виникли одразу після Великого вибуху, 30 мільйонів фотонів реліктового випромінювання і 300 трильйонів нейтрино від Сонця проходять крізь ваше тіло.
Існує спосіб захистити вакуумні камери речовинами, наприклад, водою, які поглинають і відбивають це випромінювання.
З винятком, звісно ж, нейтрино.
Припустімо, що ви якось видалили всі атоми і заблокували все випромінювання.
Чи буде простір в такому випадку абсолютно порожнім?
Насправді, ні.
Будь-який простір заповнений так званими квантовими полями.
Ми вважаємо, що субатомні частки - електрони і фотони, а також їхні напарники - насправді є коливаннями квантового поля, яке простягається по всьому всесвіту.
І, згідно з фундаментальним принципом невизначеності Гейзенберга, ці коливання квантових полів ніколи не припиняються, навіть, якщо немає жодних частинок.
А в цих полях завжди є мінімальні, або нульові коливання, так звані квантові флуктуації вакууму.
Це означає, що вони мають енергію, дуже багато енергії.
Оскільки рівняння Айнштайна показують еквівалентність маси і енергії спокою, квантові флуктуації в одному кубічному метрі простору мають енергію, яка еквівалентна масі чотирьох протонів.
Іншими словами, можна сказати, що порожній простір міг би мати масу, хоч і дуже малу.
Квантові флуктуації існували з найбільш ранніх моментів існування всесвіту.
Одразу після Великого вибуху, в процесі розширення всесвіту, вони підсилювалися і розтягувалися до космічних масштабів.
Космологи припускають, що ці реліктові квантові флуктуації дали початок усьому, що ми бачимо сьогодні.
Від галактик і великомасштабної структури всесвіту до планет і зоряних систем.
Вони також є й однією з найбільших наукових загадок нашого часу.
Тому що, згідно з сучасними теоріями, квантові флуктуації вакууму повинні мати на 120 порядків вищу енергію, ніж ми спостерігаємо.
Вирішивши загадку цієї відсутньої енергії, ми, можливо, будемо змушені переглянути наші розуміння фізики і всесвіту.

Автор: Цікава наука
ОСТАННІ КОМЕНТАРІ