Vakuumkammer, der bruges til astronomiske simuleringer (Billedkilde: NASA)

Først og fremmest et bombeskal: Da gymnasielæreren sagde, at der ikke findes noget i et vakuum, forenklede hun denne information af pædagogiske grunde. Hvad angår klasseværelseindhold, er denne erklæring normalt mere end nok. Men sandheden er, at ligesom mange andre universitetsemner skjuler denne også hemmeligheder studeret i avancerede emner inden for disciplinen. Bevis for dette er de eksperimenter, der er rapporteret i artiklen “Vacuum Packed”, en artikel offentliggjort i New Scientist-magasinet den 18. februar 2012.

Selvom der ikke er noget i vakuumet, tager Quantum Physics hensyn til det faktum, at disse regioner indeholder en minimal mængde energi såvel som elektromagnetiske og gravitationsfelter. Derfor kan vakuumet ikke betragtes som helt tomt.

Derudover er der også i disse rum tilstedeværelsen af ​​partikler og antipartikler, der dannes og ødelægges hele tiden. Disse mærkelige "små væsener" fra kvantezoo - kendt som virtuelle partikler (eller antipartikler) - kan ikke detekteres individuelt. De er imidlertid i stand til at producere reaktioner, der kan måles, såsom Casimir-effekten. Denne partikelflaske er kendt som kvantevacuumsvingning.

Forståelse af Casimir-effekten

Vakuumbølger, der virker på Casimir-effektmetalpladerne (Billedkilde: Wikimedia Commons)

I 1948 forsøgte den hollandske fysiker Hendrik Casimir at forstå, hvordan kolloider eksisterede, det vil sige, hvordan man opretholder en blanding, hvor en type stof er spredt i en anden, såsom fede kugler i den vandige opløsning af mælk. Kræfterne mellem molekyler i et sådant medium falder hurtigere med afstand end traditionelle beregninger, baseret på van der Walls 'styrke ville tillade.

For at nå frem til en passende løsning på problemet fulgte Casimir en fysikers råd, hvis værker var grundlæggende for oprettelsen af ​​kvantefysik, Niels Bohr: overvej handlingen om vakuumet mellem molekylerne i blandingen. Det er klart, at beregning af energisvingning i en kompleks molekylstruktur af en kolloid ville være umulig. Så Casimir foreslog en enklere model: to perfekt justerede metalplader, der flyder i et vakuum.

Da vakuumet er fuld af energiholdige bølgefelter, er overholdelsen af ​​disse bølger mere begrænset mellem de to plader, hvilket får færre partikler til at dukke op i dette rum. Som et resultat er energitettheden mellem de to plader lavere end i det åbne rum, hvilket skaber en trykforskel, der skubber en plade mod en anden.

Kvantumsvingning visualiseret i Casimir-effekten (Billedkilde: Wikimedia Commons)

Denne kraft er imidlertid meget lille: to separate 10-nanometerplader føler en styrke, der kan sammenlignes med vægten af ​​atmosfæren over vores hoveder. Det er således meget kompliceret at bevise eksistensen af ​​denne kraft, da den kan ændres af meget større kræfter, der virker på den samme blanding.

Det var først i 1996, at Steven Lamoreaux, en fysiker ved University of Washington i USA, var i stand til omhyggeligt at isolere alle andre effekter, der måtte virke på eksperimentet, og således fandt en lille restkraft, der virkede på en metalplade og en sfærisk linse, skubber mod hinanden. Det virkede således som bevist, at handlingen i vakuumet var reel.

Fra dette begyndte andre meget spændende eksperimenter at ændre vores begreb om intethed. Lamoreaux og hans team bekræftede også for eksempel, at kvantevacuumsvingninger steg, når temperaturen steg. Men endnu mere spændende gerninger skulle komme.

Og lad lyset laves!

Kunstnerisk repræsentation af eksperimentet, der skabte fotoner fra vakuumet (Billedkilde: Physorg)

I november 2011 besluttede videnskabsmænd ved Chalmers teknologiske universitet i Sverige at bruge ideerne om Casimir-effekten omvendt, som foreslået af den amerikanske fysiker General Moore i 1970: hvis vi hurtigt kunne flytte to spejle, hinanden, var udsvinget Det kvante, der findes i rummet mellem dem, kunne knuses så voldsomt, at dets energi frigives i form af fotoner. Teorien blev kendt som den dynamiske Casimir-effekt.

I praksis kunne selv et meget lille spejl ikke flyttes så hurtigt, så fysiker Chris Wilson og hans team foreslog nogle ændringer i Moore's ideer for at sætte dem i praksis: de brugte hurtigt varierende elektriske strømme for at simulere effekten. spejle, der kunne accelereres til ca. ¼ lysets hastighed. Resultatet var som forventet: produktion af fotonpar, der kom ud af vakuumet og kunne måles som mikrobølgestråling.

Men såvel som eksistensen af ​​Casimir-effekten, blev eksperimentet på det tidspunkt også modsagt af andre fysikere, som ikke tror, ​​at eksperimentet faktisk simulerede Moore's ideer. Wilson forsvarer sig ved at sige, at eksperimentet blev udført med alle de nødvendige forsigtighedsregler og test, inklusive bevis for, at de endda startede fra et vakuum. Og i et interview med nyt magasin udnyttede han situationen og fastgjorde sine rivaler: "For nogle mennesker vil den dynamiske Casimir-effekt altid være på et hurtigt bevægende spejl."

Ligesom Casimir-effekten, men i modsætning til

Casimir-effektvending kan give friktionsfri gear (Billedkilde: EETimes)

Et andet nysgerrig eksperiment blev udført af Steven Johnson og hans kolleger ved Massachusetts Institute of Technology (MIT). De beregnet, at Casimir-effekten kunne vendes, dvs. i stedet for at fungere som en slags lim til to nanoskalaobjekter, kunne den bruges til at udøve et modtryk, det vil sige til at skubbe det ene objekt væk fra det andet.

For at gøre dette ændrede fysikere formen på metalpladerne og tilføjede strukturer, der ligner en lynlåsens tænder. Dette i teorien ville gøre kraften mellem dem frastødende. I en nyere undersøgelse, der blev foretaget på University of Coimbra, Portugal, teoretiserede forskerne Stanislav Maslovski og Mário Silveirinha en lignende virkning ved hjælp af metalliske "nanoboder", der skabte en frastødende kraft, der var i stand til at levitere metal nanobarer.

I praksis kan denne virkning f.eks. Føre til oprettelse af tandhjul og nano-skalaer, der er i stand til at arbejde uden friktion mellem dele. Men at implementere dette ville involvere udvikling af nye værktøjer, der kunne justere disse nanopartier, så vakuumet mellem deres atomer ikke ville få kvantefluktuationer til at arbejde i forskellige retninger.

Vakuum og videnskabelig skepsis

(Billedkilde: iStock)

Det kan således udledes, at eksperimenter, der er foretaget i de seneste år, har givet mere teori for årtier siden, hvilket viser, at både kvantefluktuationer og Casimir-effekten er reelle. Ikke desto mindre købte ikke alle fysikere denne idé.

Mange forskere imod Casimir-effekten eller kvantevacuumsvingningen hævder, at disse temaer er blevet populære, fordi matematikken bag dem er så enkel. For Julian Schwinger, vinder af Nobelprisen i fysik fra 1965, kommer disse effekter til på grund af det kvante samspil mellem materiens ladninger, ikke selve vakuumet.

Det kan også være, at det at bevise disse fænomener er et slags paradoks: vi kan kun bevise eksistensen af ​​vakuumenergi ved at tilføje stof ind i det, og vi risikerer at forkert repræsentere eksperimenter. I mellemtiden håber Chris Wilson, der ikke har kastet lys over intet, at andre forskergrupper vil være i stand til at underbygge de data, hans team finder og give lidt mere støtte til muligheden for, at visse fænomener faktisk kan være reelle.

Så irriterende som bevisprocessen er, er det denne latente skepsis, der gør videnskaben så pålidelig. I sidste ende er dette endda godt, da det kan give mere spændende eksperimenter som disse at rapportere i fremtiden.