Чи справді космічний вакуум порожній?

Уявіть собі, що ви йдете в найглибше, найпорожніше місце у Всесвіті, досягаючи ідеального, повного вакууму. Вас би оточувала порожнеча? Відповідь на це питання набагато тонша, ніж ви можете собі уявити.

Сучасна подорож у вакуум почалася в 17 столітті з яскравого експерименту, розробленого Отто фон Геріке, мером міста Магдебург у Священній Римській імперії. У рамках політичного трюку, щоб показати, що його місто відновилося після спустошення 30-річної війни, фон Геріке влаштував демонстрацію для імператора та інших видатних осіб, щоб продемонструвати свій нещодавно винайдений вакуумний насос. З’єднавши дві півкулі разом і викачуючи все повітря, Отто показав, що навіть упряжка коней не зможе роз’єднати півкулі.

Всупереч тисячолітнім думкам в Європі, які слідували Арістотелевому аргументу про те, що «природа не терпить вакууму», фон Геріке показав, що вакуум можливий. Протягом десятиліть після демонстрації фон Геріке філософи та вчені задавалися питанням, чи величезні простори космосу були наповнені якимось матеріалом, відомим як ефір, який служив би двом цілям: по-перше, він усе ще перешкоджав би справжньому утворенню вакууму, а по-друге, він функціонував би як середовище для поширення світлових хвиль.

Однак наприкінці 1800-х років два фізики з Клівленда, Альберт Майкельсон і Едвард Морлі, розробили хитрий експеримент, щоб виміряти зміни швидкості світла під час руху Землі в ефірі. Жодних змін виявлено не було — і незабаром Ейнштейн продемонстрував, що швидкість світла завжди була постійною — тому вчені зрештою відійшли від концепції ефіру, допускаючи можливість справжнього вакууму.

І все-таки навіть далеко від Землі, є багато речей, що плавають навколо: заряджені частинки, що стрибають тут і там, блукаючі атоми водню, шматочки пуху та пилу, які займаються своїми справами. Незважаючи на те, що щільність міжзоряного простору в мільярди разів нижча, ніж навіть наші найпорожніші вакуумні камери, створені людиною, він не порожній на 100%.

Щоб дістатися до найпорожніших місць у Всесвіті, вам доведеться подорожувати до космічних порожнеч, величезних регіонів небуття, які домінують над простором космосу. У глибинах найбільших порожнеч можна стояти на відстані сотень мільйонів світлових років від найближчої галактики. Ядра пустот настільки порожні, що навіть темна матерія — таємнича, невидима форма матерії, яка становить основну частину кожної галактики — навіть не присутня.

Але все одно простір не був би порожнім. Весь космос охоплюють легкі нейтральні частинки, які називаються нейтрино, а також випромінювання, що залишилося від ранніх днів Всесвіту. Це випромінювання, відоме як космічний мікрохвильовий фон (CMB), відповідає за понад 99,99% усього випромінювання у Всесвіті, і від нього неможливо втекти. Отже, навіть у найтемніших порожнечах ви не зовсім самотні.

Тож припустімо, що вам потрібно побудувати гігантську коробку достатньої товщини, щоб блокувати нейтрино та CMB, залишаючи вас усередині. (Технічно стінки коробки випромінюють власні фотони, але давайте залишимо це осторонь для цього мисленнєвого експерименту.) Ви тоді були б самі?

Квантова фізика дає дивовижну відповідь: ні. Фізики виявили, що квантові поля поглинають увесь простір і час, і ці квантові поля породжують частинки повсякденного життя. Але коли квантові поля залишаються на самоті, вони мають внутрішню енергію, відому як енергія вакууму. Ця енергія є всюдисущою у всьому Всесвіті. Навіть якщо навколо вас не було б частинок, у вас все одно була б ця енергія, щоб бути вашим єдиним супутником.

То що, якби ви придумали пристрій для зведення нанівець енергії вакууму (що технічно неможливо, але давайте продовжимо уявний експеримент)? Ви нарешті справді залишитесь самотніми у всесвіті, оточені ідеальним ідеалом всеосяжного небуття?

Відповідь на це питання… це залежить. Ви все одно будете об’єктом у космосі, а дехто вважає, що сам простір існує. Нам подобається думати про простір просто як про математичну абстракцію, спосіб для нас виміряти розташування та протяжність. Але концепція простору почала набувати більш конкретного характеру з роботою Рене Декарта, генія XVII століття, який винайшов математичну основу для опису простору. Якщо ви коли-небудь записували осі x і y декартової сітки, ви повинні подякувати за це Декарту.

Ісаак Ньютон підніс концепцію простору, щоб він служив абсолютним фоном для руху об’єктів і фізичних законів, які керують їхньою поведінкою. Це сучасна фізика у двох словах: об’єкти рухаються та взаємодіють один з одним на тлі простору, який нібито існує.