Vakuumkammare som används för astronomiska simuleringar (Bildkälla: NASA)

Först och främst ett bombskal: när gymnasieläraren sa att inget finns i ett vakuum förenklade hon denna information av pedagogiska skäl. För klassrumsinnehåll är detta uttalande oftast mer än tillräckligt. Men sanningen är att, precis som många andra universitetsämnen, döljer den också hemligheter som studerats i avancerade ämnen inom disciplinen. Bevis för detta är experimenten som rapporteras i artikeln "Vacuum Packed", en artikel publicerad i New Scientist-tidningen den 18 februari 2012.

Även om det inte finns något i vakuumet tar Quantum Physics hänsyn till det faktum att dessa regioner innehåller en minimal mängd energi såväl som elektromagnetiska och gravitationella fält. Därför kan vakuumet inte betraktas som helt tomt.

Dessutom finns det i dessa utrymmen även närvaron av partiklar och antipartiklar som bildas och förstörs hela tiden. Dessa konstiga "små varelser" från kvantdjurparken - känd som virtuella partiklar (eller anti-partiklar) - kan inte upptäckas individuellt. Men de kan producera reaktioner som kan mätas, till exempel Casimir-effekten. Denna partikelkolv är känd som kvantvakuumfluktuering.

Förstå Casimir-effekten

Vakuumvågor som verkar på Casimir-effektens metallplattor (Bildkälla: Wikimedia Commons)

1948 försökte den nederländska fysikern Hendrik Casimir förstå hur kolloider fanns, det vill säga hur man kan hålla en blandning där en typ av ämne är spridd i en annan, till exempel fettkulor i den vattenhaltiga mjölklösningen. Krafterna mellan molekylerna i ett sådant medium faller snabbare med avstånd än traditionella beräkningar, baserat på van der Walls styrka skulle tillåta.

För att komma fram till en adekvat lösning på problemet följde Casimir en fysikers råd vars verk var grundläggande för skapandet av kvantfysik, Niels Bohr: överväga vakuumets verkan mellan blandningens molekyler. Uppenbarligen skulle det vara omöjligt att beräkna energifluktuationer i en komplex molekylstruktur hos en kolloid. Så Casimir föreslog en enklare modell: två perfekt inriktade metallplattor, flytande i vakuum.

Eftersom vakuumet är fullt av energiinnehållande vågfält är uppfyllandet av dessa vågor mer begränsat mellan de två plattorna, vilket får färre partiklar att dyka upp i detta utrymme. Som ett resultat är energitätheten mellan de två plattorna lägre än i det öppna utrymmet, vilket skapar en tryckskillnad som skjuter en platta mot en annan.

Kvantfluktuationer visualiserade i Casimir-effekten (Bildkälla: Wikimedia Commons)

Denna kraft är dock mycket liten: två separata 10-nanometerplattor känner en kraft som är jämförbar med vikten av atmosfären ovanför våra huvuden. Således är det mycket komplicerat att bevisa förekomsten av denna kraft, eftersom den kan ändras av mycket större krafter som verkar på samma blandning.

Det var inte förrän 1996 som Steven Lamoreaux, en fysiker vid University of Washington i USA, kunde noggrant isolera alla andra effekter som kan verka på experimentet och därmed hitta en liten kvarvarande kraft som verkade på en metallplatta och en sfärisk lins, trycka mot varandra. Således verkade det bevisat att verkan av vakuumet var verklig.

Från detta började andra mycket spännande experiment förändra vårt begrepp om ingenting. Lamoreaux och hans team bekräftade också till exempel att kvantvakuumfluktuationerna ökade när temperaturen ökade. Men ännu mer spännande gärningar skulle komma.

Och låt ljuset göras!

Konstnärlig framställning av experimentet som skapade fotoner från vakuumet (Bildkälla: Physorg)

I november 2011 beslutade forskare vid Chalmers tekniska universitet i Sverige att använda idéerna om Casimir-effekten i omvänd riktning, såsom föreslogs av den amerikanska fysikern General Moore 1970: om vi snabbt kunde flytta två speglar varandra, varandra Det kvantitet som finns i utrymmet mellan dem kunde krossas så våldsamt att dess energi skulle frigöras i form av fotoner. Teorin blev känd som den dynamiska Casimir-effekten.

I praktiken kunde till och med en mycket liten spegel inte flyttas så snabbt, så fysikern Chris Wilson och hans team föreslog några förändringar i Moores idéer för att implementera dem: de använde snabbt varierande elektriska strömmar för att simulera effekten. speglar som kan accelereras till ungefär ¼ ljusets hastighet. Resultatet var som förväntat: produktion av fotonpar som kom ut från vakuumet och kunde mätas som mikrovågsstrålning.

Men liksom förekomsten av Casimir-effekten, återupprepades experimentet vid den tiden också av andra fysiker, som inte tror att experimentet faktiskt simulerade Moores idéer. Wilson försvarar sig själv genom att säga att experimentet genomfördes med alla nödvändiga försiktighetsåtgärder och tester, inklusive bevis för att de till och med började från ett vakuum. Och i en intervju med New magazine utnyttjade han situationen och fästade sina rivaler: "För vissa människor kommer den dynamiska Casimir-effekten alltid att vara på en snabbt rörlig spegel."

Precis som Casimir-effekten, men till skillnad från

Vändning av Casimir-effekt kan ge friktionsfria växlar (Bildkälla: EETimes)

Ett annat nyfiken experiment genomfördes av Steven Johnson och hans kollegor vid Massachusetts Institute of Technology (MIT). De beräknade att Casimir-effekten kunde inverteras, det vill säga istället för att fungera som ett slags lim för två nanoskala föremål, den skulle kunna användas för att utöva ett mottryck, det vill säga för att skjuta ett föremål bort från det andra.

För att göra detta förändrade fysiker formen på metallplattorna och lägger till strukturer som liknar tänderna på en dragkedja. Detta i teorin skulle göra kraften mellan dem avvisande. I en nyare studie som genomfördes vid University of Coimbra, Portugal, teoretiserade forskarna Stanislav Maslovski och Mário Silveirinha en liknande effekt genom att använda metalliska "nanobods" som skapade en avvisande kraft som kan levitera metall nanobar.

I praktiken kan denna effekt till exempel leda till skapande av nanoskala växlar och motorer som kan arbeta utan friktion mellan delar. Men att implementera detta skulle innebära att man utvecklar nya verktyg som skulle kunna anpassa dessa nanopartier så att vakuumet mellan deras atomer inte skulle orsaka kvantfluktuationer att fungera i olika riktningar.

Vakuum och vetenskaplig skepsis

(Bildkälla: iStock)

Således kan man dra slutsatsen att experiment som genomförts under de senaste åren har gett mer trovärdighet till teorier från årtionden sedan, vilket visar att både kvantfluktuationer och Casimir-effekten är verkliga. Ändå köpte inte alla fysiker denna idé.

Många forskare mot Casimir-effekten eller kvantvakuumfluktuationen hävdar att dessa teman har blivit populära eftersom matematiken bakom dem är så enkel. För Julian Schwinger, vinnare av Nobelpriset i fysik 1965, uppstår dessa effekter på grund av kvantinteraktionen mellan materiens laddningar, inte själva vakuumet.

Det kan också vara så att bevisa dessa fenomen är en typ av paradox: vi kan bara bevisa att det finns vakuumenergi genom att lägga till materia i det, och vi riskerar att felaktigt föreställa experiment. Samtidigt hoppas Chris Wilson, som inte har belyst ingenting, att andra forskargrupper kommer att kunna underbygga de uppgifter som hans team hittar och ge lite mer stöd till möjligheten att vissa fenomen verkligen kan vara verkliga.

Så lika irriterande som bevisprocessen är, det är denna latenta skepsis som gör vetenskapen så tillförlitlig. I slutändan är detta till och med bra, eftersom det kan ge mer spännande experiment som dessa att rapportera i framtiden.